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宇宙怎么可能同时是平坦的又是球形的呢?

2020/6/27 8:27:14 来源:原创 浏览:

宇宙怎么可能同时是平坦的又是球形的呢?如果宇宙大爆炸把所有的物质和能量同样地送往各个方向,那么宇宙的形状一定是球形的。但这一直觉上矛盾的事实怎么可能存在呢?

首先我们应该重申一下我们讨论的理论本身这个事实,对吧?我们付出很多努力去证明所有存在的理论,但是在理论变成最终答案之前仍然有很多方面需要讨论(和证明)。

好了,既然我们都知道了有关理论的事实,那我们就来谈谈你的疑惑吧。而且为了理解宇宙形状是平的,我们首先理解宇宙的膨胀是受哪些方面限制的。

宇宙的命运是由膨胀动力和引力牵引两方面之间的斗争所决定的。膨胀率用哈勃常数,HO衡量,而引力强度则取决于宇宙中物质的密度和压力。如果压力较小,就像我们所知道的大多数物质的情况一样,宇宙的命运就由密度决定。

因此,如果宇宙的密度小于与哈勃常数的平方成正比的“临界密度”,那么宇宙将永远膨胀下去。另一方面,如果宇宙密度大于临界密度,那么重力就会取得最终的胜利,而宇宙又会自行坍缩,这就是所谓的“大坍缩”(另一种理论)。

图解:宇宙大爆炸年表

然而WMAP任务(威尔金森微波向异性探测器(Wilkinson Microwave Anisotropy Pro),一个于2001年6月发射用于探测宇宙学基本测量的发射任务),和遥远的超新星观测已经表明宇宙膨胀实际上在加速,这意味着物质的存在承受着负面压力,比如宇宙常数(由爱因斯坦(Einstein)创造,他认为宇宙是静态的,所以他加入了这个新术语来阻止膨胀。费尔德曼(Friedmann)是一名俄国数学家,他意识到这是一个不稳定的修正,就像是让一支铅笔在它自身的一个点上平衡一样,于是他创造了宇宙膨胀模型,也就是现在的大爆炸理论。

当哈勃对附近星系的研究——不是那个望远镜,而是美国天文学家艾德文·鲍威尔·哈勃(Edwin Powell Hubble)——表明宇宙实际上是在膨胀的,而爱因斯坦也后悔修改了他优雅的理论,并认为宇宙常数是他所犯下“最大的错误”。)这种奇怪物质形式也被称为“暗能量”。如果暗能量在宇宙的演化中真的扮演了重要的角色,那么宇宙很有可能会永远地膨胀下去。

图解:宇宙的几何形状:开放的、平坦的、闭合的

那么,上面所有的理论如何用于解释宇宙的形状呢?最简单的膨胀理论版本,也就是大爆炸理论的扩展(它指出有一段时间宇宙膨胀是极其迅速的——指数性的——在宇宙的膨胀发生的最初的几分钟,这是在1980年左右用于解释一些有关标准大爆炸理论谜题而产生理论,而宇宙膨胀相对于宇宙自身历史是循序渐进的),它预测宇宙密度现在非常接近于临界密度,空间的几何结构是平面,就像一张纸。

因为宇宙密度也同时决定了它的形状,如果宇宙密度超过了临界密度,那么空间的几何形状就会闭合,而且会像球面一样正向弯曲。这意味着最初平行的光子路径覆盖会比较缓慢,最终交叉,并返回它们的起点(如果宇宙持续足够长的时间)。如果宇宙密度小于临界密度,那么空间的几何形状就是开放的(无限的),而且是像马鞍面一样负弯曲的。如果宇宙密度恰好等于临界密度,那么宇宙的几何形状就像一张纸一样是平的,而且其范围是无限的。

图解:烟花爆炸时为球形

关于宇宙是球形形状的?这完全是一个错误的认识。通常当人们想象爆炸发生场景时,如果没有障碍物,那么物质将会四散到爆炸发生中心周围的各个角落,从而形成球形的爆炸图像(就像烟花爆炸时一样)。然而,宇宙大爆炸是一种不同的爆炸。它实际上是一种快速的膨胀,可能比任何爆炸都要快。现在,由于大爆炸发生的媒介是最大的空的集合,唯一存在的摩擦力、阻力和其他力量对于来自膨胀内部的膨胀的影响会超过其他任何的影响。

而且正如上文的解释,宇宙密度决定宇宙的几何形状,我们知道目前密度是小于临界密度的,我们几乎可以下定论宇宙是平的,也同时可以确信宇宙会永远且无限地膨胀下去。

作者: quora

FY: 幺幺

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