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宇宙会膨胀成什么样子?

2019-07-20 03:13暂无阅读:1163评论:0

问:“我对科学书中关于宇宙膨胀有些不睬解。我看过的每一本科学书中都把宇宙界说为“一切”,若是宇宙膨胀,那它会膨胀到什么田地呢?它会膨胀到“更大的宇宙吗”。我不睬解的是,红色光谱表明物体在离我们远去,但这是移动,不是膨胀对吧?若是你能帮我懂得这一点,我会非常感谢你的,感谢你的贵重时间。”

答:这是一个非常好的问题,要给出一个写意的谜底可不轻易!我第一次测验着去回覆这个问题之后,好多人依旧不睬解,给我们发来了后续的问题,所以我决意再回覆一下。这一次的回覆会更周全。问题的注释鄙人文。然则,若是你只想要一个简洁的谜底的话,我会敷陈你,若是宇宙是无限大的,那么谜底非常简洁——它不会扩展到任何处所。

相反的,在宇宙中,正在发生的是每一对星系之前的每个距离,都正在被“拉伸”,但宇宙的总体巨细,从起头时的无限大,跟着时间的推移持续连结无限大,所以宇宙的巨细是不会改变的,是以它不会膨胀到任何处所。另一方面,若是宇宙有“有限的巨细”,那么说宇宙正在扩展到“宇宙之外”的器材或者是合理的。然而,因为凭据界说,我们被困在组成我们宇宙的空间内,而且无法视察它皮相的器材,这不再是一个能够非常科学地回覆的问题。所以,若是有的话,我们切实不知道宇宙正膨胀到哪儿。

如今,对于那些想要更周全商议的人:

首先,让我从“膨胀”说起,“膨胀”并不是描述宇宙正在发生的事情的最佳词,固然我们经常使用这个词。我认为这个词选择导致了好多不需要的搅浑已经是一个难题!宇宙正在做的更正确的词或者是“伸展”。

至少对我来说,“膨胀”和“拉伸”之间的区别在于,“正膨胀的宇宙”让人想起一个图像,个中有一些星系漂浮在太空中,所有星系都从某个中心点起头,以非常快的速度远离那一点。是以,星系的鸠合(我们称之为“宇宙”)正在扩大,所以我们提出会提出“宇宙在膨胀到什么田地”如许的问题也是非常正常的。

然而,如今的宇宙理论敷陈我们,这不是我们应该想到的画面。相反,星系在某种意义上是静止的-它们不像球在空中移动那样穿过太空。星系们只是在那边。然而,跟着时间的推移,星系们之间的空间正在“伸展”,这就像你拿一块橡胶拉它的两侧时会发生的模样一般。固然星系基本没有穿过太空,但跟着时间的推移它们会互相远离,因为它们之间的空间已经被拉伸了。

当然,在平常生活中,并不认为空间是可以伸展的器材。对我们来说,空间似乎就像存在的器材,所有器材存在在宇宙中。但凭据爱因斯坦的广义相对论,空间并不像我们的常识敷陈我们的那么简洁。若是我们想要认识宇宙运作的实际体式,我们需要找到一些方式将爱因斯坦的思惟融入我们的心理图像,并将空间想象成一个更复杂的实体,可以做“弯曲”和“伸展”之类的事情。

为了匡助我们想象这一点,好多人提出了宇宙的类比,把空间更具体化。举个例子,我上文提到了一张橡胶(或有时是气球)的类比。不外,我最喜欢的比方是将宇宙想象成一块伟大的面团。面团中嵌入了好多葡萄干,四处都有。面团代表空间,葡萄干代表星系。(据我所知,这个类比最初是由马丁·加德纳在他1962年出书的“Relativity for the Million”一书中提出的。)我们不知道面团在这一点上有多大 - 我们所知道的是它非常大,然后我们坐在里面的某个葡萄干上,离“边缘”很远,“边缘”弗成能对我们或我们看到的器材有什么影响。

如今,有人将面团放入烤箱,它起头膨胀。葡萄干们彼此分隔,但相对于面团,葡萄干是没有移动的-在葡萄干四周从一起头就面团颗粒挨着葡萄干的面包颗粒依旧是沟通的。这就是我的意思,当我说宇宙膨胀时星系并没有真正穿过太空——在这里,葡萄干没有穿过面团,但葡萄干之间的距离仍然越来越大。

我想让你想象一张宇宙的新画面,实际上,与旧的图片有很大的分歧,在旧画面中,星系都在远离中心的某个点。我们在旧画面中看起来很简洁的很多概念和界说如今要复杂得多。例如:

两个星系之间的距离是几多?

在旧画面中,理论上这是一个轻易回覆的问题(固然纷歧定在实践中!)。只需给本身一个伟大的卷尺并把它固定到一个遥远的星系,然后回到我们的银河系并紧紧抓住。当星系移动时,它将拉动卷尺,当卷尺松开时,你就可以很轻松地读取距离......十亿光年,一亿五十亿光年,二十亿光等等。

然而,在我们对宇宙的新画面中,跟着葡萄干和面团的显现,跟着宇宙膨胀,卷尺基本不会放松,因为星系实际上并没有互相移动!相反,它将在整个时间内读取10亿光年。你能够毫无来由地说,星系之间的距离并没有跟着时间的推移而改变。然而,当你把卷尺带回来时,你会注重到一些纷歧样的器材;因为宇宙空间的拉伸,你的卷尺也会拉伸,若是你将它与你整个时间放在口袋里的沟通卷尺比拟较,你会发现它上面的所有刻度是之前刻度的两倍远。用口袋里的卷尺作为参考,你如今能够说这个星系距离我们20亿光年远,即使第一个卷尺说它距离我们还有10亿光年。

正如你所看到的,这张宇宙新图景中的“距离”的概念比旧画面中的复杂水平要复杂一些!今朝尚不清楚整个宇宙是否真正在“膨胀”,我们真正测量的是每对星系之间的空间拉伸。(注重的是,我们或者必需有一把“设想的”卷尺,其原子实际上并没有被分子间力量连结在一路,以便上述场景实际上按照描述进行。)在这张宇宙的新画面中,比旧画面更复杂!今朝尚不清楚整个宇宙是否真正“膨胀” -我们真正测量的是每对星系之间的空间拉伸。(注重,我们或者必需有一个“设想的”卷尺,卷尺的原子间没有感化力,以包管上述情形可以发生。)

(顺便说一句,这个卷尺的类比与于光实际在星系之间流传时非常相似。当光从一个星系发出并穿过太空进入另一个星系时,在它穿越太空的过程中它也将被拉长,使其具有更长的波长,从而使其颜色加倍朝向光谱的红端。这使我们在看遥远的星系时会看到红移光,而且凭据这些红移的测量究竟,我们估测到我们到这些星系的距离。)

宇宙的中心在哪里?

在那张旧画面中,我们很轻易知道哪里是宇宙的中心-就是谁人所有星系都在远离的那一个点。然而,在新的图片中,这些并不是那么清楚。要切记于心的一点是,星系实际上并没有彼此远离,它们“坐着不动”!让我们回到面团谁人比方,当然,你能够想象,即使面团真的很大,在她之中也有一些点也就是几许中心。但这个界说并不是很有效。因为面团代表了我们生活的空间,我们无法看到面团的“外部”,没法子认识面团的整个外形并找出找到它的中心。所以,若是你被困在面团内,除了面团以外你看不到任何器材,你若是离面团的“边缘”非常远,你看不到它,它也不会影响到你,那么注重到你所处位置,和实际在整个面团的几许中心点的话,有什么区别呢?谜底是没有区别,绝对没有区别。“宇宙中心”失去了所有意义,所以我们甚至都没有想到它。

事实上,我们能够再进一步想象,中心基本就不存在!怎么样?好吧,若是面团不止是很大很大,而是无限大的,你能够永远走在一条直线上,永不走不到头。在这种情形下,真的没有宇宙的中心。能够界说中心的独一方式是标记它的边缘,找到边缘的中点。是以,若是宇宙是无限大的并且没有边缘,那么它也没有中心,也没有理论层面。

宇宙膨胀到哪儿?

最后,我们能够回到最初的问题。在我们对宇宙的旧画面中,固然不尽人意,但谜底很简洁。组成宇宙的星系鸠合正在穿越太空;是以,宇宙正在扩展到包含本身在内的更大的空间;在我们的新画面中,星系只是遍布在一个面团的葡萄干们-它们的存在与宇宙膨胀的问题在很大水平上无关。我们真正关心的是面团,以及它是否有边缘。

若是面团的确有一个界限,那么问面团扩展到“界限”之外的界线这个问题是非常合理的。但对于我们的宇宙来说,这是一个非常复杂的问题!面团的边缘代表了空间的“界限”。讲事理,我们存在于空间内,无法脱离它!是以,我们没有方式能够视察或测量在我们之外的器材,除非它会影响到我们今朝不认识的方面。其实,想象去空间的“终点”这个设法真的很新鲜。你能举个例子,它会是什么模样吗?这些是我们无法给出科学谜底的问题,所以简洁的谜底就是我们不知道!我们所知道的是基于我们今朝对理论宇宙学的懂得,宇宙没有界限。它要么是无限的,要么以某种体式包住本身的四周的空间。凭据视察,似乎宇宙切实有界限,我们知道界限离我们太远,以至于我们今朝基本看不到它,它对我们也没有任何影响。

哈勃的另一张影像,显露婴儿星系形成的四周,这意味着在宇宙学的时间标准上经常发生。这显露宇宙中新星系的形成仍在发生。

若是宇宙真的是无限的,那么最起头问题的谜底就是宇宙不会有任何膨胀。无限大这个问题很复杂,但能够经由一个简洁数学类比。想象一下,你有一组数字:1,2,3…一向到无限大。然后你将这组中每个数字乘以2,如许你如今有2,4,6..一向到无限大。列表中相邻数字之间的距离已经“拉伸”(如今是2而不是1),然则你能说所稀有字的总局限已经“膨胀”了吗?起头数字到无限大,和转变后的数字也是到无限大。能够说总巨细是不变的!若是这些数字代表无限宇宙中星系之间的距离,这是一个非常好的类比,为什么宇宙即使是在“拉伸”,却纷歧定会“膨胀”。

最后,我应该指出,宇宙中的所有器材都不会像遥远星系之间的空间那样“拉伸”或“扩展”。例如,你和我没有膨胀,地球没有膨胀,太阳没有膨胀,甚至整个银河系也没有膨胀。这是因为在这些相对较小的标准上,宇宙伸展力被其他力量所影响(即星系的引力,太阳的引力,地球的引力以及将人体固定在一路的原子力)。只有当我们在宇宙中看到充沛远的距离时,宇宙伸展才会在局部引力和其他力量的影响之上变得显着,这些力量往往会将事物连系在一路。(就像我在上文举的“卷尺”的例子,你放在口袋里的卷尺不会拉伸,而两个星系之间的卷尺的确会拉长,进展能更好的帮你懂得这一部门。)

参考资料

1.WJ百科全书

2.天文学名词

3. Dave Rothstein-curious.astro.cornell

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