宇宙其實是無限大的,你真的了解麼?

2020-11-29 鍾銘聊科學

奧伯斯佯謬

天文學家在研究一些宇宙學的問題時,通常使用的是理論+觀測=模型的思考框架。而對於宇宙有多大這樣的問題,在愛因斯坦的廣義相對論出現之前,大多都只是在哲學思辨上進行探討。當然,也有為數不多的從數理邏輯上進行討論的。比較有名的就是奧伯斯佯謬。

這是在1823年,德國的天文學家奧博斯提出來的,他認為,如果宇宙是穩態的,並且是無限大的,那夜晚的天空應該是亮的,這是因為無限大的宇宙說明有無限多的恆星,那夜空就應該有無限多的亮點,也就是亮的。

從奧伯斯佯謬,我們至少可以知道兩點,要麼宇宙不是無限大的,要麼宇宙不是穩恆態的(也就是我們常說的永恆不變的),那具體是哪一款是後面的科學家解決的。

愛因斯坦的廣義相對論

後來到了1915年,愛因斯坦提出過了廣義相對論,在這個理論當中有一個著名的廣義相對論引力場方程。但是,愛因斯坦當時認為宇宙應該是永恆的,但是他從理論推導出來的方程卻是一個膨脹的宇宙。為了解決這個問題,它引入了宇宙學常數。

可惜好景不長,愛因斯坦立馬迎來了打臉時間,哈勃通過觀測發現,宇宙的確是在膨脹的,也就是說這個宇宙學常數成了多餘的了。於是,又給刪掉了。

有趣的是,後來勒梅特提出宇宙應該存在一個熾熱的開端,然後宇宙開始膨脹,但膨脹的速度並不是恆定不變,而應該是減速膨脹,這是因為他認為最早是引力佔主導,後來隨著膨脹的進行,引力常數所代表的排斥力逐漸接近引力,然後超過引力,佔據主導。所以宇宙之後會開始加速膨脹。因此,宇宙常數其實是有存在的必要,而且不僅僅是一般的好用,而是相當的好用。

決定宇宙形態的兩個基本參數是宇宙空間的曲率,我們用K來表示,以及宇宙常數,用Λ來表示。但K=0的時候,就是歐幾裡得空間, Λ>0就會表現出排斥力,宇宙就會膨脹;Λ<0時,就會表現出吸引力,宇宙就會收縮;當 Λ=0時,就是靜態的宇宙,不過並不穩定。1967年,天文學家愛德華·哈裡森就把這兩個參數的不同取值進行總結,並給出了一張表格。

那我們該如何進行理解呢?如今我們知道宇宙學常數就是真空能,也就是暗能量。宇宙大概起源於138億年前的宇宙大爆炸,一開始宇宙的尺寸還比較小,真空能起不到什麼作用。不過,到了距今45億年前,宇宙的大小達到了現在的73%,真空能開始佔據主導,使得宇宙加速膨脹。

哈勃常數&宇宙質量密度

所以,基於空間曲率和宇宙學常數的研究,我們是有可能知道宇宙的具體大小的,只不過,這兩個參數有點太靈活了,不好觀測。因此,科學家想到了另外一個辦法:哈勃常數宇宙質量密度

根據愛因斯坦的廣義相對論,我們可以得到一個以物質為主的宇宙停止膨脹時,對應的宇宙密度,這個密度也被我們叫做臨界密度,用符合p0表示。如今,科學家通過普朗克衛星對於宇宙微波背景輻射的觀測結果,我們可以知道宇宙在千分之六的精度上是平坦的。

如果說,宇宙是平坦的,那臨界密度p0=3H0^2/8πG。其中H0表示的是哈勃常數。如果我們把哈勃常數取值為70 km/s·Mpc,那這個時候p0就是0.9*10^-29g/cm^3。科學家對這個結果進行了進一步的處理,它們把現在宇宙實際的密度除以這個臨界密度,就會得到一個比值,用參數Ω0表示。

如果Ω0>1,就是宇宙實際密度大於臨界密度,宇宙就會停滯膨脹,開始收縮,對應的就是一個閉宇宙,也就是有邊界的宇宙

如果Ω0<1,這代表宇宙的物質無力抵抗宇宙膨脹,宇宙就會一直膨脹下去,也就被我們稱為「開宇宙」,也就是無限大的宇宙。

如果Ω0=1,說明宇宙會膨脹,只是速率很慢。

根據普朗克衛星最新的觀測結果表明,哈勃常數H0=67.15 km/s·Mpc。也就是說,哈勃常數是非常接近於70 km/s·Mpc,也就是說Ω0≤1,宇宙應該是一個開宇宙。也就是說,按照現在的理論和觀測來說,宇宙將會一直膨脹下去,並且宇宙會是一個無限大的宇宙。

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  • 自然界中真的存在一個世界麼,NASA發現存在平行宇宙
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    宇宙的大小,無外乎兩種觀點,有限和無限,不會有第三種結果!在很久以前,很多科學家提出了地球是無限大的,當人類發展到一定階段的時候,才發現地球是圓的,是有大小的;從地心說到日心說,一次次被打破,我們的宇宙難道也是有限的嗎,只是人類沒有發展到更高級的文明,沒辦法探索到。
  • 宇宙的邊緣到底在哪?我們人類已經發現了麼?
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    我們生活在一個廣闊的宇宙中,在一個潮溼的小星球上,數十億年前,單細胞生命形式與周圍所有非生命物質都是由相同的元素進化而來的,增殖並散發出令人難以置信的複雜生命形式的光芒,所有這些有生命的和無生命的,微觀的和宏觀的,由具有明顯任意常數的數學定律控制,這提出了一個問題,如果宇宙完全受這些定律支配,功能是夠強大的計算機能完全模擬它嗎,我們的現實是否真的可以是令人難以置信的模擬世界,是由更先進的文明所建立的
  • 人類目前能觀測到的宇宙,直徑約930億光年,宇宙真的無限大嗎?
    黑洞是宇宙中一個非常神秘的天體,人類可以用現有的高科技技術探測到黑洞的存在,但是就目前人類的技術水平而言,宇宙之大還無法真正了解,因為這個空間實在是太大了,以我們現有的技術水平依然還看不到盡頭。以地球的中心,目前科學家通過對宇宙年齡、膨脹速率以及各種星系紅移量的因素進行綜合的計算分析後,得出了宇宙能觀測到的直徑距離約為930億光年,而已經存在137億年的宇宙仍然還在不斷擴張之中沒有停止。宇宙的起源很多人認為是經歷了一場大爆炸,由一個奇點帶來的萬物,不過這一觀點至今仍有不少人持有懷疑態度。
  • 有人認為宇宙無限大,相對應也有無限小,你怎麼看?
    自從愛因斯坦的廣義相對論出臺後,發現了宇宙膨脹,大爆炸宇宙論逐漸成為了標準宇宙模型,宇宙無限論就壽終正寢了。宇宙無限論是靜態宇宙的一個說法。在過去幾百年裡,靜態宇宙模型佔有科學界的統治地位。這個理論的核心內容就是宇宙無邊無際、無始無終,從來就是這個樣子,今後永遠也還是這個樣子。
  • 宇宙真的大到可以無限大嗎?也許我們都錯了,可能有大理石那麼大
    我們常說無窮大,宇宙如此之大,仿佛宇宙是東西上最大的這世界。那麼宇宙有多大?沒有人可以具體表述為宇宙是萬物的總稱,是時空的統一體。宇宙是物質世界,他不依賴於人的意志,而是客觀存在的,他在不斷地運動和發展,他在時間上沒有起點和終點,在空間上也沒有邊界和終點。宇宙真的是一個真正的物質世界?