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老祖宗說的“天圓地方”,難道指的是“宇宙是平坦的”?

2020 年 1 月 17 日 熊孩子爱科技

“宇宙”從古至今都是人們一直想弄清楚的東西,中國很早就有“四方上下謂之宇,往古來今謂之宙”的說法,也就是說宇是空間,宙是時間,宇宙就是時空的組合。

現代宇宙被認爲是時間、空間、物質和事物的總稱。

老祖宗說的“天圓地方”,難道指的是“宇宙是平坦的”?

平坦的宇宙

宇宙是如何産生的?這個問題不但關系到人類能不能在宇宙中找到同類,還關系到人類能不能永遠生活在宇宙中。

目前宇宙大爆炸的理論得到了越來越多觀測的證實,這讓我這個杞人很擔憂啊!

如果宇宙是大爆炸産生的,那麽當它不能再膨脹下去時,受萬有引力的作用,它得再次縮回到奇點狀態,那時人類該怎麽辦呀!我頭發都愁白了,也沒有想到讓人類可以在高溫高壓環境生存下去的辦法!

老祖宗說的“天圓地方”,難道指的是“宇宙是平坦的”?

宇宙奇點定理

我們先用一個叫做宇宙臨界密度的指標來描述宇宙,這個宇宙臨界密度值的算法是:

Ρc=(H^2)/(8πG/3)

H——哈勃常數

G——引力常數

這個臨界密度就是說當宇宙膨脹的過程中,如果密度大于這個值,那麽宇宙再膨脹下去是沒問題的,如果小于這個值,那麽就是你膨脹過度了,該收斂收斂了!如果等于這個值,那麽剛剛好!如果能一直維持下去,那就是永生了。

于是,我們就開始去測量宇宙實際的這個值了。

要說,科學家們也是費盡了心血,還是測出了這個值(雖說現在不知道准不准),測量的結果是這個值遠小于計算出來的臨界值。理論計算臨界密度爲5×10^-30g/cm^3,我們目前觀測到的平均密度只有2×10^-31g/cm^3。

我擦!這太危險了!這宇宙膨脹過度了啊!

不行,肯定還有很多暗物質沒有測量到!

于是,有科學家又開始到處去找暗物質了。

不過,這時,有人說宇宙雖然在膨脹,但是它能不能一直得瑟下去,和它本身的結構是有很大關系的。

我們先簡化一下,把臨界密度當成1來描述宇宙,結合萬能的愛因斯坦相對論,得到一個簡單的公式:

(Ω0-1)ρa2=-3κc2/8πG

這個公式表明,如果觀測到的平均密度Ω0等于臨界密度的話,那麽宇宙的曲率k就會趨近于0.

什麽意思呢?

就是說如果Ω0大于1,那麽宇宙的結構就是球形的,如果Ω0小于1,那麽宇宙的結構是馬鞍形的,如果Ω0等于1,那麽宇宙就是平坦的。(當然,宇宙結構還可能是其它的形狀,但這三種是典型的形態,霍金就認爲宇宙的形狀是不規則的)

老祖宗說的“天圓地方”,難道指的是“宇宙是平坦的”?

那麽這個Ω0怎麽來測呢?

如果在宇宙尺度上向前發射兩條平行光線,它們之間的距離越來越近,那麽宇宙結構是球形的,如果它們之間越來越遠,那麽宇宙結構是馬鞍形的,如果一直平行下去,那麽宇宙結構是平坦的。

但是,在實際當中這不好操作,科學家發現如果能測量出宇宙空間上一個三角形的內角和,當三角形內角和等于180度的話,那麽,宇宙就是平的。(如上圖)

老祖宗說的“天圓地方”,難道指的是“宇宙是平坦的”?

普朗克”太空探測器

2009年歐洲發射了一顆叫做“普朗克”的宇宙輻射探測器,經過多年的觀測,它繪制出了一份迄今最精確的反映宇宙誕生初期情形的宇宙微波背景輻射圖,同時也計算出了宇宙的不平坦度大約是0.001±0.006。

結果是,宇宙在千分之六的精度上是平坦的!

老祖宗說的“天圓地方”,難道指的是“宇宙是平坦的”?

歐耶!

宇宙是平的,再也不怕它收縮了!

至于爲什麽平坦的宇宙可以一直膨脹下去,我也沒有搞清楚!等我弄清了再告訴大家吧!

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