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宇宙膨胀是否我们也会膨胀呢?

发布日期:2017年08月02日   文章来源:新浪网   作者:

  据国外媒体报道,自上世纪30年代,科学家就知道宇宙开始膨胀,但是我们是否也随之一起膨胀,这是科学家经常提及的问题。通常人们的自我意识会认为宇宙不会膨胀,而是宇宙任何事物逐渐收缩,我们如何区分其间的差异性呢?

  如果宇宙处于膨胀之中,那么我们是否也会膨胀呢?目前,专门研究量子引力和高能物理的理论物理学家萨宾·霍森菲尔德(Sabine Hossenfelder)撰文对这一观点进行深入分析。他指出,采用数学方法或许是最佳解答方案,但是该问题很难通过一系列方程式进行解答,因此这是一个概念性问题。

  萨宾指出,理解宇宙膨胀的第一条线索是空间-时间广义相对论,而不是空间广义相对论,正如1908年科学家赫尔曼·明科夫斯基(Herman Minkowski)所说的:“从今以后,空间就是空间,时间就是时间,只有两者保持一个独立现实体,否则它们将在阴影中逐渐消失。”

  第二条线索是必须从科学测量角度进行解答,至少原则上是这样的。我们无法观测空间,也无法观测空间-时间之间的关系,我们仅能观察空间-时间如何影响物质和辐射,我们通过探测器能够进行测量。

  第三条线索是广义相对论中的“相对性”,这意味着每位观测者可以选择自己所描述的空间-时间关系,虽然每个观察者的计算结果都不相同,但他们会得出相同的结论。

  基于以上三条重要线索,将使我们更深入地洞悉宇宙膨胀状况。宇宙学家采用“弗里德曼·罗伯森·沃克模型(该模型以发明者命名)”描述宇宙,基本假设是空间充满物质和辐射,它们在每个区域和方向都具有相同密度。正如术语所描述的,它具有均匀和等向性,这种假设被称为“宇宙原理”。

  虽然该宇宙理论最初仅是一个貌似真实的假设,同时也获得了证据支持。在大比例尺度上,物质确实分布在宇宙每个区域。但很明显的是,在较短距离范围,例如:银河系内部,银河系是一个盘状结构,多数质量聚集在中心隆起部分,这些物质质量并非均匀分布。因此“弗里德曼·罗伯森·沃克模型”并不适用描述此类星系。

  这是一个关键点,如果忽视它,将会混淆宇宙膨胀的起源论,描述宇宙膨胀的广义相对论方案可以解释爱因斯坦方程式,但它仅适用于较大的宇宙空间。但是描述星系的方法是不同的,一种方法认为宇宙不会膨胀,宇宙并非不知不觉地膨胀,而是根本不会膨胀。完整描述宇宙膨胀的解决方案是——在非膨胀星系之间膨胀空间。目前基于其数学复杂性,该解决方案仅是通过计算机模拟获得的结果。

  你可能会问,达到怎样的距离会出现宇宙膨胀?当宇宙平均体积非常大,物质的自吸引引力弱于膨胀牵引力,对于原子核,宇宙平均体积越大,其平均密度就越小;但是只有超越了星系簇等级的范围,才会出现膨胀。在非常短的距离,当核作用力和电磁作用力并未中立时,它们也会对引力牵引产生作用,这样可以安全保护原子和分子,不会被宇宙膨胀撕碎。

  但事实是这样的,我所讲的都依赖于一种“自然方法”,能够分割空间成为空间-时间。宇宙微波背景辐射(CMB)将帮助我们实现,分割空间和时间的方法仅有一个,宇宙微波背景辐射在所有方向上都保持相同性。分割之后,研究人员仍能采集到时间标签,但是分割已完成。

  打破科学家赫尔曼·明科夫斯基所提及空间和时间统一性的方法是一种“空间切片法”,的确,这非常像切面包片,每一个切片都间隔一定的时间。科学家有许多方法切片面包片,也会有更多的方法切割空间-时间,依据霍森菲尔德所提及的第三条线索,这种情况是完全被允许的。

  霍森菲尔德指出,物理学家选择切片法的理由通常是通过巧妙地“切片”,能够使计算很大程度地简单化,但是如果你真的坚持,一些“宇宙切片”将证实空间不发生膨胀。然而,这些切片会变得非常棘手:很难对它们进行解释,并做出计算。对于这样的切片,例如:随着时间的推移将你推至太空,这完全不是凭直觉完成的。

  事实上,你可以在地球周围的空间-时间范围内完成,你可以分割空间-时间,从而使人类周围的空间保持平坦,尽管如此,这种分割很难实现,并且没有任何意义。这种情况下存在第二条线索的关联性,我们真的不必讨论空间如何开始,正如你坚持宇宙不会膨胀的空间定义,但是你可以想像,将定义的空间想像为一座城市,例如:美国布鲁克林市,它发生膨胀。假设一个街道长1英里,第二天膨胀会使街道变成2英里,下个星期这个街道会变成10英里,以此类推,很明显这种假设很愚蠢,是没有意义的。

  但是目前研究人员可以借助测量手段,例如:在一个固定高度,在两个街道末端进行激光束反射测距,或者使用原子钟测量两次激光束反弹之间的时间间隔。你将发现时间间隔总是相同的。

  原子钟依赖于恒定不变的原子跃迁频率,与重心引力相比,原子内部的引力可以完全忽略不计,它比重心引力低大约40个数量级,固定在一定高度可避免地球引力所造成的引力红移。不管研究人员使用哪个坐标,总能发现相同和清晰的测量结果:激光反弹的时间间隔是相同的。

  在宇宙学中,这将有助于弄清我们所测量的事物,我们不测量星系之间的空间大小,那我们怎么做呢?我们测量了遥远星系的光线,结果表明它们存在有条不紊的红移。一个简单的方法可以描述这一过程,使用空间-时间分割可使计算和解释变得更加简单,有用于描述星系之间膨胀的空间。

  因此,这个答案非常简单:随着宇宙膨胀,宇宙中任何束缚物质都不会发生膨胀。来自遥远星系的光线朝向红端移动,意味着那些遥远星系逐渐远离我们地球。如果我们使用空间-时间分割法,宇宙物质仍保持静止状态,之后宇宙物质密度减少,这可以不援引广义相对论进行解释。

【责任编辑:齐越】

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