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宇宙是有限还是无限的

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发表于 2017-4-4 21:07:23 | 显示全部楼层 |阅读模式
  对大爆炸宇宙学的一个常见误解是认为宇宙中所有的物质都来自于一个无穷小的点。换句话说,如果今天的宇宙是无限的,那么即使回退到宇宙初始时刻,宇宙也仍然是无限的。那么今天的宇宙究竟是有限还是无限呢?在爱因斯坦引力论的框架下,这是一个几何问题,取决于三维空间的弯曲程度。为了简单起见,让我们降低一个维度,考虑二维的情形。


  二维的空间也就是曲面。如果曲面的弯曲处处都是正向的,或者用数学的语言说,曲率是正的,那么这个曲面的面积是有限的。球面是一个无界有限的曲面。一只生活在球面上的蚂蚁,一直向前爬,最后还能回到自己出发的地方。如果曲面没有弯曲,那么它就是平面。平面的面积是无穷的,蚂蚁在平面上一直向前,永远也到不了出发的地方。

宇宙是有限还是无限的

宇宙是有限还是无限的7 / 作者:伤我心太深 / 帖子ID:22682,72812


  那么曲面处处反向弯曲是什么样的呢?这种曲面的形状有点像马鞍形(图中间的情况)。

  现在让我们回到宇宙的情况。我们可以把曲面称作二维的空间,同样的我们可以把空间看做三维的曲面。如果宇宙曲率处处为正,宇宙就是一个闭合的三维曲面,在其他情况下,宇宙空间都是无限的。


  宇宙中包含的物质密度决定了宇宙空间的弯曲。宇宙理论可以计算出一个临界密度。这个密度有多大呢?换算成我们熟悉的尺度,大概是每立方米里面有几个氢原子。
  只有当宇宙密度等于这个临界密度的时候,宇宙空间才是平坦的。当宇宙密度大于临界密度,宇宙空间是正向弯曲且有限的。在这种情况下,宇宙的膨胀会越来越慢,最终变成收缩。而当宇宙密度等于或小于临界密度(平坦或反向弯曲),宇宙都是无限的,并且会无限膨胀下去。

  我们生活的宇宙到底是有限还是无限呢?很遗憾,我们还不清楚,因为我们的宇宙密度非常接近临界密度。Planck卫星观测显示,宇宙在千分之六的精度是平坦的。它要么是差点有限,要么是差点无限。

  为什么会这样?现代宇宙学家认为原因是宇宙早期的暴涨。在宇宙的极早期存在一个宇宙急速膨胀的时期,被称作暴涨时期。暴涨期的持续时间非常短(可能只有10-30秒),但是在这个时间里宇宙增长了1026倍。随后宇宙膨胀的速度开始下降。今天宇宙空间的膨胀速率只有在天文学尺度上才能察觉到:一百万光年的空间,每秒钟只膨胀20多公里。

  暴涨理论产生了两个很自然的结论:

  1. 宇宙是均匀且各项同性的,不存在任何特殊方向或者特殊位置。
  2. 宇宙空间是接近平坦的。
  为什么会这样呢?举一个不太准确但形象的例子。假设宇宙是一个气球,在暴涨过程中,这个气球被瞬间吹大1026倍。结果是气球上的任何瑕疵,都被抹得很平了,站在气球的任何一个地方都好像站在平地上。

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