你知道宇宙膨脹的真實含義嗎?

2021-02-15 浩瀚宇宙

來源:宇宙 生命和一切

讓我們回到關於宇宙的話題上來。

在談論和宇宙有關的話題時,我們常常會提到,宇宙在膨脹。但是你知道宇宙膨脹的真實含義嗎?

由於缺乏對這個問題的準確理解,人們常常提出這些問題:

「既然宇宙在膨脹,我還會長高嗎?」

「既然宇宙在膨脹, 地球會變大嗎?」


「既然宇宙在膨脹,銀河系會變大嗎?」
.

Youtube 上的minutephysics頻道解釋了這個問題。我們不妨借用一下(https://youtu.be/th_9ZR2I0_w)。

其實,宇宙沒有膨脹,膨脹的是空間。結果是物體之間的距離增加。

但是宇宙中還有許多其他的力把物體拉在一起,比如引力和電磁力。

比如你和你的貓站在地上,如果你們腳下的地面膨脹了,你們就會離得越來越遠。

如果你用繩子牽著貓,即使你們腳下的地面膨脹了,你和貓的距離也不會變。

電磁力和引力就是這樣的繩子,它們讓原子,分子,太陽和地球之間的距離保持不變。在這樣小的尺度下,空間膨脹非常慢,不足以抗衡引力和電磁力。

空間膨脹的效果只有在距離非常遙遠的星系之間才能觀察到。

當我們觀察這樣的星系的時候,會發現它們的光被紅移,說明它們正在遠離我們而去。引力當然也會試圖把星系拉在一起,在這個尺度上,但是空間膨脹的作用超過了引力。

也就是說,你的貓跑掉了。

需要強調的是,空間膨脹的加速的。如果這種情況持續下去,在遙遠的將來,引力和電磁力都不足以抗衡空間膨脹,所有的物質都會被撕成亞原子碎片。

看到這裡,你應該也能回答本文開頭那些問題了。

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另外一個和宇宙膨脹有關的問題是:「如果宇宙空間在膨脹,那麼它膨脹到哪裡去呢?」

目前的觀察和理論表明,宇宙的尺度很可能是無窮大的(宇宙的大小、形狀及其他問題)。如果確實如此,那麼宇宙不需要「向哪裡膨脹」,它只需要膨脹到它自己裡面就行了。

這是一個聽起來很離奇的回答。這個回答之所以成立,是由於「無窮大」這個概念的奇異特性。1924年,數學家大衛 希爾伯特提出了著名的大酒店悖論:

一個大酒店有無窮多個房間,都住滿了客人。現在,酒店又來了一個新客人,看起來沒有房間了。酒店老闆很有辦法,他讓1號房的客人搬到2號房,2號房的客人搬到3號房,3號房的客人搬到四號房. n號房的客人搬到n+1號房. 這樣,1號房就空出來了,可以給新客人。

然後,又來了無窮多的新客人,不過這依然難不倒酒店老闆。他讓1號房的客人搬到2號房,2號房的客人搬到4號房,3號房的客人搬到6號房,. n號房的客人搬到2n 號房。這樣所有的奇數號房都空出來了,空房間總數是無窮大。這樣所有的新客人都可以住進去了。

這些方法之所以有用,是由於無窮大的特性:

無窮大 + k = 無窮大

無窮大 + 無窮大 = 無窮大

無窮大 * k = 無窮大

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用以上方式產生的新的無窮大,和原來的無窮大,是同階無窮大。

回到宇宙的問題,宇宙中新的空間不斷產生,並不需要擴展到宇宙以外去。無窮大的空間可以永遠的容納新的空間。

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