宇宙是有限的?還是無限的?天文觀測支持前者

2020-12-06 科學探索菌

宇宙是有限的還是無限的?是什麼形狀?目前還沒有準確的答案。

先來說說宇宙的起源。主流觀點認為,宇宙誕生於一次大爆炸,包括時間、空間和一切物質都源於那次大爆炸。經科學家的測定,宇宙誕生於138億年前,目前可觀測宇宙的半徑大約為460億光年。

可觀測宇宙是以人類觀察者為中心,半徑約為460億光年的球形區域。有些人可能會有疑問?宇宙才138億年,為什麼可觀測宇宙的半徑就有460億光年?因為宇宙從誕生那一刻起,宇宙空間一直都在膨脹。空間膨脹帶動了物質間相互遠離,看起來似乎是物質在向外擴散。遙遠天體發出的光在傳向地球的同時,天體本身也在遠離地球,當我們接收到130多億年前的天體發出的光時,天體的位置已經變了,那個天體現在距離我們就有400多億光年遠了。

(如圖所示,時空像氣球一樣膨脹)

在上世紀初葉,天文學家哈勃通過分析天體的光譜發現河外星系正在遠離我們,並且離我們越遠的星系,退行速度越快。在距離我們140億光年遠的位置,膨脹速度已經達到了光速。

隨著認知能力的提高,人類的宇宙觀也在不斷的發生變化。在早期,人類認為天圓地方,麥哲倫領導的環球航行則證實了地球是圓的。從地心說到日心說,再到發現河外星系,科學的進步,讓人類的世界觀也跟著進步了。

到了牛頓時代,由於天文望遠鏡的發明,使人類對宇宙有了更多的認識。在經典物理為主的時代,認為宇宙空間是開放的平直空間,宇宙是靜態的且無限大,物質在空間中均勻的分布著。顯然,如果宇宙無限大,物質無限多,引力也會無限大,這樣的宇宙是不穩定的。

愛因斯坦相對論的提出,為人類認識宇宙打開了新的大門。相對論認為時空是四維的,由三維空間和一維時間構成。再後來的超弦理論,甚至認為我們的世界應該是11維的。

雖然物質能夠彎曲時空,但是在大尺度範圍內物質的分布比較均勻,時空在整體上還是相對平坦的。只是局部空間彎曲的厲害,比如黑洞及其周圍的時空。由於大尺度上物質的分布較均勻,且不管從宇宙中的哪個位置觀測,得到的結果都是相同的,這被稱之為各項同性。

按照大爆炸理論來看,宇宙是有限的,並且宇宙不存在邊界,因此宇宙也沒有中心。一個無限有界的宇宙,空間應該是閉合的,類似於一個閉合的二維球面,宇宙間的星系就分布在三維的超球面上。

比如生活在二維球面上的螞蟻,只要不脫離球面,無論朝哪個方向爬,永遠都找不到邊界。當這個球面相對於螞蟻足夠大時,螞蟻會以為自己所在的世界是平的。就好比生活在地球上的我們。如果球無限大,球面就可以看成無限延展的平面。

正是由於時空彎曲的影響,我們以為光在真空中走的是直線,其實光是延空間中的測地線走的。我們的宇宙實在太大了,身在宇宙中的我們很難確定宇宙是什麼形狀的?

綜上所述,按目前科學界的主流觀點來看,我的宇宙是動態的、閉合的、有限而無界、均勻且各項同性。

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