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宇宙有没有尽头?宇宙的形状是怎么样的?终于有答案了

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xing123手机认证 发表于 2018-1-27 21:22:06 | 显示全部楼层 |阅读模式
道格拉斯.亚当斯在《银河系漫游指南》中提出了“宇宙,生命和一切的终极问题”。天文物理学的最新进展让我们可以从宇宙这一部分开始回答这个终极问题了,比如宇宙的形状,宇宙的终极命运,宇宙从哪里来等等。不过,你将在这里看到的答案。
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我们先来回答问题“宇宙有没有尽头”。这个问题和宇宙的形状是密切相关的。知道了宇宙的形状,是否有尽头的问题也就迎刃而解了。我们就从宇宙的形状开始吧。

1. 宇宙的几何形状

宇宙是一个三维空间。广义相对论告诉我们,由于物质和能量的存在,空间是可以弯曲的。这种空间的弯曲,在牛顿的经典力学体系中称为万有引力。下图用二维平面来类比,表现大质量天体造成的空间弯曲。
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空间的曲率可以是正,负或者零(零曲率意味着平坦的空间)。然而,生活在三维空间中的我们很难想象出一个弯曲的三维空间,所以就用二维空间来做一个类比的讨论吧。

二维平面上的几何问题可以用欧几里得创立的平面几何来分析。欧式几何是一个伟大的创举,它以5条公设(公理)为基础,以逻辑为工具,建立起了一个结构严密的庞大数学体系,开创了数学研究的公理化方法。然而,正是欧式几何的第五条公设,导致了非欧几何的诞生。第五公设可以表述为:

給定一条直线,通过此直线外的任何一點, 有且只有一条直线與之平行。

从第五公设可以推导出,三角形内角和为180度(下图中的最下面的平面)。 后世的数学家发现,如果放弃欧式几何的第五公设,代之以新的第五公设,可以得到完全不同但是同样逻辑严密的新的几何体系。比如:
給定一条直线,通过此直线外的任何一點, 有至少两条直线与之平行。

以这条公设为基础,可以推导出双曲面几何(下图中的第二个曲面)。在这个体系中,三角形内角和小于180度。
給定一条直线,通过此直线外的任何一點, 没有一条直线与之平行。

以这条公设为基础,可以推导出椭圆几何(下图中的第一个曲面)。在这个体系中,三角形内角和大于180度。
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三维空间中,3种第五公设同样适用。如果空间是平坦的,则曲率等于0,三角形内角和等于180度;如果空间是弯曲的,而且曲率大于0,则空间是封闭的,三角形内角和大于180度;如果空间曲率小于0,则空间是开放的,三角形内角和小于180度。值得注意的是,平坦和开放的空间都是无限延伸的。只有封闭空间具有有限大小。

现在回到问题上来 - 这三种空间有没有尽头。首先,平坦的空间和曲率小于0的开放空间无疑是没有尽头的,它们都是无限大的。那么封闭的空间有没有尽头呢?我们仍然用二维的封闭曲面来分析。上图中的球面是封闭曲面中的一种,它的大小是有限的,然而却没有边界。比如一个人在地球表面朝一个方向走,他不会走到地球的边界,而是会回到原点。同样,我们知道封闭的三维空间虽然大小有限,但是它也是没有边界的。如果我们的宇宙是这样一个有限而无边的有限空间,飞船朝一个方向飞,最后会回到出发的地方。如果我们有一个足够好的望远镜,可以在远方看到自己(从我们身上发出的光环绕宇宙一周又回到了原点)。

到这里,这个问题的答案已经出来了。无论宇宙是什么形状,都是没有尽头的。但是,新的问题:宇宙是什么形状的? 这个问题现在还没有确定的答案。多数物理学家接受的观点是:宇宙很可能是平坦的。这一假设有它的理论和观察依据。

平坦宇宙的观察证据

我们先来看支持平坦宇宙的观察结果。在不同曲率的空间中,三角形内角和是不一样的。为了观察空间的曲率,我们需要在宇宙中找到一个足够大的,跨越整个可观察宇宙的三角形。这样的三角形在宇宙微波背景辐射中可以找到。

微波背景辐射产生于宇宙大爆炸后的38万年,当时强烈的辐射弥漫了整个宇宙空间。经过137亿年的空间膨胀,这些辐射的能量已经红移成了微波。能够接受微波的天线都可受到它的信号。当你把电视机调到没有频道的频率,你看到的噪声就有一部分是宇宙大爆炸的余晖。下图是NASA用高精度的WMAP望远镜绘制的完整微波背景辐射图像。
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图中的不同颜色代表了温度的微小差异(小于千分之一)。物理学家理解这些差异的产生机制,由此可以算出颜色区域的真实大小。根据空间膨胀的速度,可以知道背景辐射的距离。这样,一个跨越可观察宇宙的三角形就可以画出来了。如果宇宙是平的,这样一个区域在从地球观察,视角应该是1度;如果宇宙是开放的,视角应该小于1度;如果宇宙是封闭的,视角应该大于1度。
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观察的结果是,在误差范围内,视角非常接近1度。这个结果表明,宇宙很可能在大尺度上是平坦的。NASA发射了新的普朗克望远镜,将会带来更精确的结果。

平坦宇宙的理论依据

平坦宇宙的理论依据是宇宙暴涨理论。暴涨理论是对宇宙大爆炸理论的扩展。1929年哈勃发现宇宙中的星系都在离我们而去,而且距离我们越远的星系,远离速度越快。从此人们认识到了宇宙空间在不断膨胀。很自然的,人们回想,如果把时间回放,那么空间就是不断收缩的。追溯到137亿年前,我们的可见宇宙就是一个无穷小的点。这样宇宙大爆炸理论就诞生了。大爆炸理论认为,我们的宇宙起源于一个密度无限大,温度无限高的状态,经过不同阶段的膨胀形成的。这个开始的状态被称为Singularity,奇点。

这里我们要澄清一些常见的误解。“大爆炸”这个名字无疑很吸引眼球,但是它并没有很好的解释这个理论。事实上,宇宙并没有发生爆炸,而是空间膨胀。奇点这个词误导性更强,从字面上看是一个无穷小的点,而事实上这个词用在黑洞中也确实是只一个无穷小的点。但是,宇宙的起源并不是一个这样的点,而是一个高密度,高温的状态。

大爆炸理论是对空间膨胀的一个符合逻辑的推导,而且获得的许多观察结果的支持,但是他也有自身的缺陷:无法解释为什么宇宙在大尺度上能量和温度都是均匀的。无论我们朝哪个方向看,看到的星系密度都是大致一样的。
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如果你把不同颜色放进水里,你会看到上图中的情景。多等一会,水和颜料有时间互相交流,颜色就会均匀的混合起来,你就只会看到一种颜色。但是大爆炸中的高速空间膨胀没有时间“多等一会”。早期的膨胀是快于光速的,连光也没有时间从宇宙的一端传到另一端。而正是这早期的膨胀阶段决定了宇宙在大尺度上的结构。那么,大尺度上的均匀分布就成了大爆炸理论无法解释的难题。

美国物理学家阿兰 古斯提出的暴涨理论从一种全新的角度解释了大爆炸。早期宇宙有过一段大小稳定的高温高密度时期,在这段时间内,宇宙达到了一个均匀分布的结构。接着,宇宙的尺度暴涨,在
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秒内,体积增长了
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倍。在暴涨后的阶段,宇宙也增长了

倍,但是用了137亿年。而暴涨的动力,你肯定想不到,是引力。在特定的条件下,广义相对论允许引力产生排斥的效果。

暴涨理论的一个推论是,宇宙是平坦的。空间的曲率有物质密度决定。密度太低,空间就是开放的。这样的宇宙会永远膨胀。密度太高,空间就是封闭的。这样的宇宙会膨胀,减速,然后收缩。如果密度正好,空间就是平坦的。这样的空间就会膨胀,减速,最终停止。而暴涨理论计算出来的空间密度正好满足平坦空间所需要的关键密度。

根据广义相对论,空间曲率是由宇宙中的物质/能量密度决定的。如果能够估算出可观察宇宙中的能量总数,而且这个总数与平坦宇宙的计算结果相符,这无疑又是另一个对平坦宇宙的有力支持。然而,当观察和计算的结果表明,宇宙中的物质,包括所有的普通物质和暗物质,只有物理学家期望的31.7%。剩下的部分在哪里呢?

现在,多数物理学家接受的一种假说是,宇宙中总能量的68.3%是目前不能认识的一种能量,所以被称为暗能量。它的密度远低于普通物质和暗物质,但是由于它充斥了整个宇宙空间,所以称为了宇宙中的主导性能量。物理学家建立了不同的模型来描述暗能量。在这些模型中,暗能量能产生一个向外的压力,推动空间膨胀。暗能量假说达到了两个目的。第一,它解释了宇宙中缺失的能量,第二,它解释了空间的加速膨胀。由于它充满了整个空间,所以也被描述为一种真空的能量,或者宇宙学常数。

在物理学的历史上,宇宙学常数是一个富有戏剧性的概念。第一个提出这个概念的是爱因斯坦,他在建立广义相对论是发现,按照他的计算,宇宙是动态的,可能膨胀,也可能收缩。当时人们的认识是,宇宙是永恒和稳定的。为了让理论符合当时的宇宙观,爱因斯坦在公式中增加了一个宇宙学常数来达到静态宇宙的目的。在哈勃发现宇宙空间确实在膨胀之后,爱因斯坦从他的公式中去掉了这个常数,并说,宇宙学常数是他一生最大的错误。然而,20世纪90年代以来的物理学研究表明,宇宙学常数这的存在。真空中确实有一种能量,它具有负向压力,推动空间膨胀。爱因斯坦如果在世,不知道会作何感想。

宇宙中包含了普通物质,暗物质,暗能量。下图是这些成分的比例。
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我们周围的世界,璀璨的恒星,浩瀚的星系以及奔波于太空的光,加起来其实只有不到5%。更多的物质和能量隐藏在一片神秘的迷雾之中。

一个很有意思的事实是,现在多数物理学家相信宇宙是平坦,而过去很多人相信地球是平坦的。这是不是一个历史的循环?当然,这两个平坦的含义是不一样的。
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