前沿:宇宙學及其他
尺度因子(scale factor)
想像一張畫有方格的橡膠布,星系被釘在方格的交點上。當布伸展時,星系仍停留在各自的方格座標上,但它們之間的每一段實體距離都在增長。用一個數字說出某一時刻布伸展了多少,這個數字就是尺度因子。它是膨脹宇宙的數學核心:用一個時間的函數,記錄空間有多大。
尺度因子 a(t) 是一個無因次的函數,慣例上取今日 a = 1,使得宇宙流中兩個靜止天體之間的實體距離為 d(t) = a(t) 乘以它們固定的共動間距。當 a 加倍時,所有這類距離都加倍。它的相對變化率恰好就是哈伯參數,H(t) = a_dot / a,其中 a_dot 是 a 對時間的導數;在今日取值即為哈伯常數 H_0。光的波長按相同比例伸展,給出 1 + z = a_now / a_then;普通物質的密度按 1/a^3 稀釋,而輻射稀釋得更快,按 1/a^4,因為它的波長也在伸長。
尺度因子正是宇宙學藏起其動力學之處:a(t) 如何隨時間增長,由弗里德曼方程式決定,而物質、輻射與暗能量的配比則決定這增長是減速,還是如我們今日觀測到的那樣加速。一個值得強調的細微處:共動座標並不膨脹,只有實體距離膨脹;而像星系與尺這類受重力束縛的系統,並不隨 a 伸展,因為它們內部的力把它們固定住了。
在宇宙微波背景的時期,尺度因子約為 a = 1/1100,因此宇宙在每個線性方向上約小 1100 倍,溫度也約比我們今日所見的 2.725 K 高 1100 倍,接近 3000 K,熱到原子尚未形成。
一個數字 a(t),就定下了整個宇宙時間中的大小、紅移、溫度與密度。
只有尺度因子的比值才具物理意義;取今日 a = 1 只是一種慣例。而像星系或原子這類受束縛的物體並不隨 a 增長,因為決定其大小的是內部的力,而非宇宙膨脹。
又称
另见