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宇宙膨胀,我们会跟着一起膨胀吗?


2021-04-24 10:07 [科技] 来源于:新浪科技综合
导读:来源:我是科学家iScientist ,作者张双南 很多朋友都会问下面这些问题:谁给大爆炸提供了能量?为什么没有炸出来反物质呢?大爆炸之前是什么?大爆炸的中心在哪里?宇宙的边在哪
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来源:我是科学家iScientist ,作者张双南

  很多朋友都会问下面这些问题:谁给大爆炸提供了能量?为什么没有炸出来反物质呢?大爆炸之前是什么?大爆炸的中心在哪里?宇宙的边在哪里?我们会跟着宇宙一起膨胀吗?宇宙会一直膨胀下去吗?宇宙的未来是什么?

  这些问题,有些是大家的误解,有些学术界目前也不能给出确定的回答。更重要的是,如果上网搜索,你会看到各种稀奇古怪的回答,但是在正规的天文学书里却找不到这些问题的答案,或者即使找到了,你也会被那些学术术语和复杂的公式方程吓退。

  在这堂课里面,我将澄清一些误解,也对那些学术界一般不用通俗的语言解释甚至还没有确切答案的问题,尽量给读者做一些初步的介绍和回答,满足读者的好奇心。

  宇宙有没有边?

  宇宙到底有没有边?按道理说,虽然不一定看得到,但是再大的东西也得有边啊!这个问题是我在各种场合被问到的最多的问题,没有之一。提问者从6岁的孩子到已经退休的老人家,各行各业的人基本上都有。

  在回答这个问题之前,首先我们需要定义什么是宇宙。一般来说, 我们认为宇宙就是物质世界的总和。那么在这种情况下,我如果回答宇宙有边界,那么你一定会接着问:边界外面是什么?答案是:边界外面仍然是宇宙。你如果接着问:再往外呢?答案仍然是:再往外仍然是宇宙。所以我只能回答,宇宙没有边界

  但是这个回答你肯定不会满意:没有边界不就意味着宇宙是无穷大了吗?没错,这就是当前学术界的标准回答。然而,爱因斯坦当年就是不相信宇宙是无限的,但是他也不认为宇宙有边界,那怎么办?爱因斯坦当然不会被这个问题难住,他认为我们的宇宙是有限无界的。

  什么是有限无界?比如,一只蚂蚁在一个很大的球面上,它无论如何也找不到这个球面的边界,但是很显然,这个球面是有限的,因为它是闭合的。同样的道理,如果我们的宇宙是一个闭合的宇宙,我们就不可能找到宇宙的边界,但是这个宇宙仍然是有限的。比如,有一个很漂亮的宇宙模型认为,我们的宇宙就是一个巨大的四维黑洞的三维视界面, 当然就是有限无界的,当然就没有边,也没有宇宙的外面这个概念了。

  有一个很漂亮的宇宙模型认为,我们的宇宙就是一个巨大的四维黑洞的三维视界面 | Science Photo Library, Victor de Schwanberg

  那么,我们的宇宙是闭合的吗?这个问题就是科学研究可以回答的了:根据爱因斯坦的广义相对论,宇宙是否闭合取决于宇宙的平均密度, 密度高于一定的值,空间的弯曲就类似一个球面,所以可以闭合起来;密度低于一定的值,空间的弯曲就类似一个马鞍形,不能合拢。而这个值恰好就是前面所说的临界密度,当宇宙平均密度等于这个值的时候, 空间就恰好是平坦的,对应于欧几里得几何描述的空间,也叫作闵可夫斯基空间。

  宇宙的三种可能的几何形状。图中蓝色的线表示局部平行的光线。 | astronomy.swin.edu.au

  所以,如果能够精确测量宇宙的平均密度,也包括宇宙的所有能量, 那么就可以根据广义相对论确定我们的宇宙是否是闭合的。现在的观测结果告诉我们,宇宙的平均密度极为接近临界密度,但是在目前的测量精度范围内,既不能完全排除宇宙是闭合的,也不能确定宇宙就是开放的,只能等待未来更高精度的测量结果。利用宇宙微波背景辐射对宇宙大尺度空间的测量结果也表明,在目前的测量精度范围之内,宇宙是平坦的,尽管也不能完全排除宇宙是开放的还是闭合的。

  研究人员进行中微子探测实验|东京大学

  因此,尽管爱因斯坦不相信宇宙会是无限的,但是目前的科学研究并不能给出明确答案,这就是科学和哲学的区别。科学需要证据,而哲学只需要理性思考。

  我们会跟着宇宙一起膨胀吗?

  既然宇宙正在膨胀中,那么宇宙中的各个天体,乃至我们人类自己, 是不是也在跟着宇宙膨胀不断变大?

  这实际上是一个非常严肃的科学问题,我和我的一个研究生就曾经认真地研究过。对这个问题的标准和主流的回答是:

(编辑:东莞网


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