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我们的宇宙形状究竟是什么样的?宇宙曲率告诉你答案

时间:2022-06-21 08:04:51

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我们的宇宙形状究竟是什么样的?宇宙曲率告诉你答案

宇宙的形状究竟是什么样的?宇宙会不会和地球一样是个巨大的球体?无边有积?在这里我们就要说一说宇宙曲率。

说起宇宙速率,我们就得先说一说德国科学家高斯提出的“绝妙理论”。

一张纸平展开来,是一个平面,我们称它是一个垂平面,我们再把纸折一下,折成一个半圆弧,这样这张纸便不再平整了,此时它成为一个弯曲的平面,我们在此进行弯曲,使其变成一个圆筒,此时弯曲的程度明显比半圆弧弯曲程度高。

对此,高斯有了自己的看法,他想通过某种方式,明确定义弯曲平面时的曲率。

你观察一个平面上的蚂蚁时,此时的蚂蚁有向四周无数条路径,可以沿着圆筒直径方向行走,也可以沿着一个圆环方向行走,更是可以斜着走。

高斯便定义,以任意点为起点,找到两条最绝对的路径(圆筒上最凹的路径与最凸的路径),将两条路径的曲率相乘(凹面曲率为正,凸面曲率为负,平面为零),结果就是定点的曲率。

还以上面的圆筒为例子,蚂蚁所在的一个定点选择两条极路径,一条便是圆环的凹路径,一条变为竖直路径,因为竖直路径完全扁平,所以竖直路径曲率为零,所以不管在那个定点上路径怎样相乘,结果都为零。对于这个结果,数学家们都会说,圆筒是个平的,因为它的高斯路径为零。高斯路径为零也就意味着这个图形可以用一张扁平的纸弯曲而成。

我们习以为常的把宇宙看作万物运用的虚无空间,但是从传统物理学上讲,我们的宇宙属于一个三维空间,既然是一个维度空间,那会不会和二维纸张相同,可能存在着弯曲吗?

说起空间弯曲,我们就会想到黑洞。当一个物体的表面逃逸速度>光速时,我们便称这个物体为一个黑洞。我们会发现,不同方向的光最后集中与一点(黑洞的中心点),所以我们认定黑洞周围的空间是弯曲的。同理,物体都具有引力,引力能够造成空间的局部弯曲。

那么我们放眼整个宇宙,整个宇宙的曲率有时多少呢?对于宇宙曲率的观测,传统意义上有两种方法。

一种是测量三角形的内角度数,如果三角形的内角度数为一百八十度,那么我们说这个宇宙是平直的,如果三角形内角度数大于或者小于一百八十度,我们就称我们的宇宙是弯曲的。通过观察早期宇宙图像,来测量三角度数。

另一种方法是测量最初造成空间扭曲的事物(带有质量的物质),这就需要宇宙学家进行测量宇宙空间的质量和密度。

在空间的平直区域里,例如说附近没有能量和其他物质,沿平行路径运动的物体会一直沿着平行路径进行运动。在空间的正向弯曲的区域里,例如在大行星或者黑洞附近,两条平行的运动路径将会交汇于一点。而在空间负向弯曲区域,平行或者是两条指向彼此的路径,最终将会发散。那么推广到整个空间会是怎样一种情况呢?如果整个空间都是正向弯曲的话,那么空间只可能是一种形状,一个巨大的多维土豆形状,如果沿着其中一个方向走足够远,最终你将会走回最初的起点。如果整个空间都是平直的话,那么空间的形状就十分简单了,一直延伸到无穷远。就如游戏场景中一样,周期循环下去。如果整个空间都是负向完全的话,体育运动就变成了不可能完成的事。所以空间究竟是哪种形状?

两种方法都表示了宇宙几乎是平直的,曲率为零,测量的误差只有0.4%左右,这样的实验结果表明我们的宇宙结构是平直的。这也就是说我们的宇宙空间是可以无限延伸的。

宇宙是平直的这个事实,似乎是一个宇宙层面的巨大巧合。如果宇宙里能再多一点能量和质量的话,空间一定会向其中一个方向弯曲;如果宇宙里再少一点能量和质量的话,空间会朝另一个方向弯曲。

这个完美的数值就如同平均每立方米有5个氢原子,空间里的一些留白部分正好让禁锢在我们周围的原子还留在我们周围。若每立方米多于或少于5个氢原子,整个宇宙空间就会变得更加扭曲。至今我们不明白为什么我们的宇宙会有这样恰好的能量物质密度,没到遇到宇宙空间曲率这类问题时,我们现存的知识完全不够。

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