Космічний час

Космічний час, або космологічний час, — часова координата, що використовується в моделях Великого вибуху у фізичній космології^[1]:315. Ця концепція часу уникає деяких ускладнень, пов'язаних з теорією відносності, оскільки вона визначена для конкретного розв'язку рівнянь загальної теорії відносності в межах розглядуваної космологічної моделі.

Проблеми з абсолютним часом

Теорія спеціальної відносності Альберта Ейнштейна показала, що одночасність не є абсолютною. Спостерігач, що знаходиться у стані спокою, може вважати, що дві події, розділені в просторі (скажімо, два удари блискавки на відстані 10 метрів один від одного), відбулися одночасно, тоді як інший спостерігач, що знаходиться у (відносному) русі, вважає, що одна з подій сталася раніше. Цей зв'язок простору та часу, простір-час Мінковського, ускладнює порівняння часу, бо час виявляється залежним від системи відліку^[2]:202.

Теорія загальної відносності Ейнштейна в ізотропному, однорідному, розширюваному Всесвіті надає спосіб визначення унікальної точки відліку часу^[2]:205. Усі координатні точки в такому Всесвіті еквівалентні. Герман Вейль постулював, що «галактики» в такому Всесвіті визначають геодезичні лінії, узагальнення прямих ліній у просторі-часі. Кожній галактиці можна приписати власний локальний годинник. Всі ці годинники синхронізовані в єдиній точці в минулому, де геодезичні перетинаються. Гіперповерхні, перпендикулярні до геодезичних, стають поверхнями постійного космічного часу^[3].

Космічний час забезпечує універсальний час лише доти, доки виконуються припущення, що використовуються для його визначення. Існують розв'язки загальної теорії відносності, які не мають космічного часу^[2]:207. Однак стандартна космологічна модель, заснована на засадах, які узгоджуються з існуванням космічного часу, виявилася дуже успішною^[4].

Визначення

Космічний час ${\displaystyle t}$^[5][6]:142 — це міра часу за допомогою фізичного годинника з нульовою пекулярною швидкістю за відсутності локальних ущільнень або розріджень матерії (для запобігання уповільненню часу через релятивістські ефекти або плутанину, спричинену розширенням Всесвіту). Його можна виміряти годинником, який рухається разом з потоком Габбла в ідеально однорідному Всесвіті. Космічний час є стандартною часовою координатою для визначення розв'язків Фрідмана — Леметра — Робертсона — Вокера рівнянь Ейнштейна загальної теорії відносності^[2]:205.

Момент ${\displaystyle t=0}$ не обов'язково має відповідати фізичній події (наприклад, космологічній сингулярності), а радше стосується точки, в якій масштабний коефіцієнт зникає для стандартної космологічної моделі, такої як ΛCDM. Для технічних цілей в дослідженнях раннього Всесвіту використовують такі поняття, як середня температура Всесвіту або горизонт частинок, оскільки розуміння взаємодії між частинками є більш актуальним, ніж їхня часова координата чи вік. Космічний час залежить від фізичних понять, таких як маса, які можуть бути недійсними для часів до приблизно 10⁻¹¹ секунд^[7].

Точка відліку

Значення космічного часу у віддаленому місці можна задати відносно поточного часу в нашому місці розташування, яке називається часом ретроспективного огляду, або відносно початку Великого вибуху, яке називається «віком Всесвіту» для цього місця розташування.

Час погляду в минуле

Час погляду в минуле або ретроспективний час (англ. lookback time) ${\displaystyle t_{L}}$ — це різниця у віці: вік Всесвіту зараз, ${\displaystyle t_{0}}$, мінус вік Всесвіту, коли фотон був випромінений у віддаленому місці, ${\displaystyle t_{e}.}$ Час погляду в минуле залежить від космологічної моделі: $${\displaystyle t_{L}(z)=t_{H}\int _{0}^{z}{\frac {dz'}{(1+z')E(z')}}\,,}$$де $${\displaystyle E(z)={\sqrt {\Omega _{M}(1+z)^{3}+(1-\Omega _{M}-\Omega _{\Lambda })(1+z)^{2}+\Omega _{\Lambda }}}\,,}$$${\displaystyle \Omega _{M}}$ означає сучасний параметр густини для матерії, а ${\displaystyle \Omega _{\Lambda }}$ — для темної енергії^[8]. Час погляду в минуле на точку з нескінченним z — це теперішній вік Всесвіту. Його можна описати як час, який знадобився світлу, щоб дістатися до нас від максимально віддаленого видимого об'єкта^[9].

Вік Всесвіту

Докладніше: Вік Всесвіту

Як альтернативу, за основу для визначення ${\displaystyle t}$ можна взяти Великий вибух, отримавши таким чином час з моменту Великого вибуху. Для об'єкта, спостережуваного на червоному зміщенні z, вік Всесвіту на момент випромінювання спостережуваних від нього фотонів становить:

$${\displaystyle t(z)=t_{H}\int _{z}^{\infty }{\frac {dz'}{(1+z')E(z')}}}$$

Для кожного значення червоного зміщення сума ${\displaystyle t_{L}(z)+t(z)}$ дорівнює віку Всесвіту в теперішній момент часу, ${\displaystyle z=0}$. Сучасна фізична космологія оцінює сучасний вік Всесвіту у 13,8 мільярда років^[10].

Зв'язок з червоним зміщенням

Астрономічні спостереження та теоретичні моделі можуть замість часу використовувати червоне зміщення. Космічний час та червоне зміщення z пов'язані між собою. У випадку плоского Всесвіту без темної енергії космічний час можна виразити як^[11] $${\displaystyle t(z)\approx {\frac {2}{3H_{0}{\Omega _{0}}^{1/2}}}z^{-3/2}\,\ z\gg 1/\Omega _{0}.}$$Тут ${\displaystyle H_{0}}$ — стала Габбла, а ${\displaystyle \Omega _{0}=\rho /\rho _{\text{crit}}}$ — відношення густини Всесвіту ${\displaystyle \rho (t)}$ до критичної густини ${\displaystyle \rho _{c}(t)}$ у рівнянні Фрідмана для плоского Всесвіту^[12]:47:$${\displaystyle \rho _{c}(t)={\frac {3H^{2}(t)}{8\pi G}}}$$Невизначеності у значеннях цих параметрів роблять значення часу, отримані з вимірювань червоного зміщення, залежними від моделі.

Див. також

• Хронологія Всесвіту
• Космічний календар
• Космологічний горизонт