1樓:匿名使用者
按照宇宙大**理論,我們的宇宙應該是一個半徑在140億光年左右的球形。由於宇宙的膨脹紅移、引力紅移等效應,這個球形以地球(或太陽,或銀河系)為球心。但這並不是說我們恰好在宇宙的中心,只是從我們地球看出去,各個方向上宇宙的結構和平均密度都差不多。
這不是巧合。從宇宙中任何一個地方看出去,都是這個樣子。換句話說,在宇宙中,任何一個地方都是宇宙的中心。
在宇宙中,各個星系及星系團、星系群基本上是平均分佈的。但也存在小的相對高密度區(集中分佈區)。星系以叢集的方式在宇宙中構成一張大網,幾乎所有的星系都分佈在網上,「網格」的中間幾乎是空的,形成大尺度上的「氣泡」。
這類結構差不多是以10億光年為一個「結構單元」在重複。
以10億光年為結構單元的宇宙就是下面這個樣子。其中每一個小亮點都是一個與銀河系類似的巨大星系。
2樓:魯工伏以彤
2023年,愛因斯坦發表了著名的「廣義相對論」,為我們研究大尺度、大質量的宇宙提供了比牛頓「萬有引力定律」更先進的**。應用後,科學家解決了恆星一生的演化問題。而宇宙是否是靜止的呢?
對這一問題,連愛因斯坦也犯了一個大錯誤。他認為宇宙是靜止的,然而2023年美國天文學家哈勃以不可辯駁的實驗,證明了宇宙不是靜止的,而是向外膨脹的。正像我們吹一隻大氣球一樣,恆星都在離我們遠去。
離我們越遠的恆星,遠離我們的速度也就越快。可以推想:如果存在這樣的恆星,它離我們足夠遠以至於它離開我們的速度達到光速的時候,它發出的光就永遠也不可能到達我們的地球了。
從這個意義上講,我們可
以認為它是不存在的。因此,我們可以認為宇宙是有限的。
「宇宙到底是什麼樣子?」目前尚無定論。值得一提的是史蒂芬·霍金的觀點比較讓人容易接受:
宇宙有限而無界,只不過比地球多了幾維。比如,我們的地球就是有限而無界的。在地球上,無論從南極走到北極,還是從北極走到南極,你始終不可能找到地球的邊界,但你不能由此認為地球是無限的。
實際上,我們都知道地球是有限的。地球如此,宇宙亦是如此。
怎麼理解宇宙比地球多了幾維呢?舉個例子:一個小球沿地面滾動並掉進了一個小洞中,在我們看來,小球是存在的,它還在洞裡面,因為我們人類是「三維」的;而對於一個動物來說,它得出的結論就會是:
小球已經不存在了!它消失了。為什麼會得出這樣的結論呢?
因為它生活在「二維」世界裡,對「三維」事件是無法清楚理解的。同樣的道理,我們人類生活在「三維」世界裡,對於比我們多幾維的宇宙,也是很難理解清楚的。這也正是對於「宇宙是什麼樣子」這個問題無法解釋清楚的原因。
1、均勻的宇宙銀河是由無數個太陽系組成的大星系,我們的太陽系處在銀河系的邊緣,圍繞著銀河系的中心旋轉,轉速大約每秒250千米,圍繞銀心轉一圈約需2.5億年。太陽系的直徑充其量約1光年,而銀河系的直徑則高達10萬光年。
銀河系由1000多億顆恆星組成,太陽系在銀河系中的地位,真像一粒砂子處在北京城中。後來又發現,我們的銀河系還與其他銀河系組成更大的星系團,星系團的直徑約為107光年(1000萬光年)。目前,望遠鏡觀測距離已達100億光年以上,在所見的範圍內,有無數的星系團存在,這些星系團不再組成更大的團,而是均勻各向同性地分佈著。
從望遠鏡看來,不管多遠距離的星系團,都均勻各向同性地分佈著。因而我們可以認為,宇觀尺度上(10的5次方光年以上)物質分佈的均勻狀態,不是現在才有的,而是早已如此。
2、有限而無邊的宇宙愛因斯坦2023年發表廣義相對論,2023年就提出一個建立在廣義相對論基礎上的宇宙模型。這是一個人們完全意想不到的模型。在這個模型中,宇宙的三維空間是有限無邊的,而且不隨時間變化。
以往人們認為,有限就是有邊,無限就是無邊。愛因斯坦把有限和有邊這兩個概念區分開來。一個長方形的桌面,有確定的長和寬,也有確定的面積,因而大小是有限的。
同時它有明顯的四條邊,因此是有邊的。如果有一個小甲蟲在它上面爬,無論朝哪個方向爬,都會很快到達桌面的邊緣。所以桌面是有限有邊的二維空間。
如果桌面向四面八方無限伸展,成為歐氏幾何中的平面,那麼,這個歐氏平面是無限無邊的二維空間。我們再看一個籃球的表面,如果籃球的半徑為r,那麼球面的面積是4πr的2次方,大小是有限的。但是,這個二維球面是無邊的。
假如有一個小甲蟲在它上面爬,永遠也不會走到盡頭。所以,籃球面是一個有限無邊的二維空間。按照宇宙學原理,在宇觀尺度上,三維空間是均勻各向同性的。
愛因斯坦認為,這樣的三維空間必定是常曲率空間,也就是說空間各點的彎曲程度應該相同,即應該有相同的曲率。由於有物質存在,四維時空應該是彎曲的。三維空間也應是彎的而不應是平的。
愛因斯坦覺得,這樣的宇宙很可能是三維超球面。三維超球面不是通常的球體,而是二維球面的推廣。通常的球體是有限有邊的,體積是4/3πr的3次方,它的邊就是二維球面。
三維超球面是有限無邊的,生活在其中的三維生物(例如我們人類就是有長、寬、高的三維生物),無論朝哪個方向前進均碰不到邊。假如它一直朝北走,最終會從南邊走回來。
愛因斯坦試圖在三維空間均勻各向同性、且不隨時間變化的假定下,救解廣義相對論的場方程。場方程非常複雜,而且需要知道初始條件(宇宙最初的情況)和邊界條件(宇宙邊緣處的情況)才能求解。本來,解這樣的方程是十分困難的事情,但是愛因斯坦非常聰明,他設想宇宙是有限無邊的,沒有邊自然就不需要邊界條件。
他又設想宇宙是靜態的,現在和過去都一樣,初始條件也就不需要了。再加上對稱性的限制(要求三維空間均勻各向同性),場方程就變得好解多了。但還是得不出結果。
反覆思考後,愛因斯坦終於明白了求不出解的原因:廣義相對論可以看作萬有引力定律的推廣,只包含「吸引效應」不包含「排斥效應」。而維持一個不隨時間變化的宇宙,必須有排斥效應與吸引效應相平衡才行。
這就是說,從廣義相對論場方程不可能得出「靜態」宇宙。要想得出靜態宇宙,必須修改場方程。於是他在方程中增加了一個「排斥項」,叫做宇宙項。
這樣,愛因斯坦終於計算出了一個靜態的、均勻各向同性的、有限無邊的宇宙模型。一時間大家非常興奮,科學終於告訴我們,宇宙是不隨時間變化的、是有限無邊的。看來,關於宇宙有限還是無限的爭論似乎可以畫上一個句號了。
3、膨脹或脈動的宇宙幾年之後,一個名不見經傳的前蘇聯數學家弗利德曼,應用不加宇宙項的場方程,得到一個膨脹的、或脈動的宇宙模型。弗利德曼宇宙在三維空間上也是均勻、各向同性的,但是,它不是靜態的。這個宇宙模型隨時間變化,分三種情況。
第一種情況,三維空間的曲率是負的;第二種情況,三維空間的曲率為零,也就是說,三維空間是平直的;第三種情況,三維空間的曲率是正的。前兩種情況,宇宙不停地膨脹;第三種情況,宇宙先膨脹,達到一個極大值後開始收縮,然後再膨脹,再收縮……因此第三種宇宙是脈動的。弗利德曼的宇宙最初發表在一個不太著名的雜誌上。
後來,西歐一些數學家物理學家得到類似的宇宙模型。愛因斯坦得知這類膨脹或脈動的宇宙模型後,十分興奮。他認為自己的模型不好,應該放棄,弗利德曼模型才是正確的宇宙模型。
如果認為星系的紅移、紫移是多普勒效應,那麼大多數星系都在遠離我們,只有個別星系向我們靠近。隨之進行的研究發現,那些個別向我們靠近的紫移星系,都在我們自己的本星系團中(我們銀河系所在的星系團稱本星系團)。本星系團中的星系,多數紅移,少數紫移;而其他星系團中的星系就全是紅移了。
2023年,美國天文學家哈勃總結了當時的一些觀測資料,提出一條經驗規律,河外星系(即我們銀河系之外的其他銀河系)的紅移大小正比於它們離開我們銀河系中心的距離。由於多普勒效應的紅移量與光源的速度成正比,所以,上述定律又表述為:河外星系的退行速度與它們離我們的距離成正比:
v=hd
式中v是河外星系的退行速度,d是它們到我們銀河系中心的距離。這個定律稱為哈勃定律,比例常數h稱為哈勃常數。按照哈勃定律,所有的河外星系都在遠離我們,而且,離我們越遠的河外星系,逃離得越快。
哈勃定律反映的規律與宇宙膨脹理論正好相符。個別星系的紫移可以這樣解釋,本星系團內部各星系要圍繞它們的共同重心轉動,因此總會有少數星系在一定時間內向我們的銀河系靠近。這種紫移現象與整體的宇宙膨脹無關。
哈勃定律大大支援了弗利德曼的宇宙模型。另一個可能是,哈勃已經知道當時的宇宙膨脹理論,所以大膽認為自己的觀測與該理論一致。以後的觀測資料越來越精,資料圖中的點也越來越集中在直線附近,哈勃定律終於被大量實驗觀測所確認。
4、宇宙有限還是無限現在,我們又回到前面的話題,宇宙到底有限還是無限?有邊還是無邊?對此,我們從廣義相對論、大**宇宙模型和天文觀測的角度來**這一問題。
滿足宇宙學原理(三維空間均勻各向同性)的宇宙,肯定是無邊的。但是否有限,卻要分三種情況來討論。
今天,我們仍然肯定不了宇宙究竟有限還是無限,只能肯定宇宙無邊,而且現在正在膨脹!此外,還知道膨脹大約開始於100億-200億年以前,這就是說,我們的宇宙大約起源於100億-200億年之前。
5、愛因斯坦宇宙模型
根據物理理論,在一定的假設前提下提出的關於宇宙的設想與推測,稱為宇宙模型。
廣義相對論的物理理論。這一理論認為,宇宙中沒有絕對空間和絕對時間,無論是空間和時間都不能與物質隔開來,空間和時間均受物質影響;引力是空間彎曲的效應,而空間彎曲是由物質存在決定的。愛因斯坦將他的理論應用於宇宙研究,2023年發表了《根據廣義相對論的宇宙學考察》的**,他將廣義相對論的引力場方程用於整個宇宙,建立起一種宇宙模型。
當時科學家普遍認為宇宙是靜止的,不隨時間變化的。雖然在幾年前,美國天文學家斯里弗已發現了河外星系的譜線紅移(顯然這是對靜止宇宙的挑戰),但由於當時正值第一次世界大戰,這一訊息並沒有傳到歐洲。因此,愛因斯坦也和大多數科學家一樣,認為宇宙是靜態的。
愛因斯坦想從引力場方程著手,得出一個宇宙是靜態的、均勻的、各向同性的答案。但他得到的解是不穩定的,表明全間和距離不是恆定不變的,而是隨時變化的。為了得到一個空間是穩定的解,愛因斯坦人為地在引力場方程中引入一個叫做「宇宙常數」的項,讓它起斥力的作用。
愛因斯坦得出一個有限無邊的靜態宇宙模型,稱為愛因斯坦宇宙模型。為了便於理解,可把它比喻為三維空間中的一個二維球面:球面的面積是有限的、但沿著球面沒有邊界,也無中心,球面保持靜態狀態。
幾年以後,愛因斯坦得知河外星系退行,宇宙是膨脹的訊息後,非常後悔在自己的模型中加了一個宇宙常數項,稱這是他一生中犯的最大錯誤。
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