搜索
写经验 领红包

无形的宇宙(有形或无形是什么意思)

导语:有形无形,何谓宇宙之形?其形如何?

我们讲的简单点,根据现有的数据,宇宙目前的形状有3种可能。我们依照弗-勒-罗-沃度规的公式来看,k=1时,三维空间是球形的,总体积是有限的,其值为2R(t){ 10^10^10^122百万秒差距}。k=-1时,三维空间是双曲的,总体积是无限的。k=0时,三维空间是平坦的,总体积也是无限的。

可观测宇宙的形状是宇宙的局部和全域几何形状。可观测宇宙的局部几何特征主要由它的曲率来描述,而宇宙的拓扑结构则把它作为连续物体形状的一般全域特性来描述。宇宙的形状与广义相对论有关,广义相对论描述了时空如何被质量和能量扭曲以及弯折。

宇宙学家将可观测宇宙和全域宇宙的差别区分开来。 可观测的宇宙是宇宙的一部分,原则上,可以通过光在宇宙的年龄内传播而到达地球来观测这些部分。可观测宇宙包含一个空间区域,目前我们定义为以地球为观测中心的一个理想大球,估计半径约为460亿光年(4.4×10^26米)。

这个数字并不代表着宇宙有460亿年的历史。事实上,宇宙只有138亿年的历史,但由于空间本身也在膨胀,才导致了上述可观测宇宙如此大小。(然而,只有在非常遥远的过去,当光行进的距离必须很小的时候,才可以观察到这些遥远的地区)。 假设宇宙为各向同性且均匀的,那么在任何位置观测可观测宇宙都是相似的。

可观测宇宙的模拟全图,室女座超星系团位于中心位置,但因过于渺小以至于看不见。图:Andrew Z. Colvin

根据《我们数学的宇宙(英文:Our Mathematical Universe)》,宇宙的全域形状可以解释成以下3类:

1.有限或无限

2.平坦(无曲率)、开放(负曲率)或闭合(正曲率)

3.连通性,宇宙是如何组合在一起的,即简单连接的空间(单连通)或多重连接的。

这些属性之间有一定的逻辑联系。例如,具有正曲率的宇宙必然是有限的。虽然在文献中通常假定平坦或开放的宇宙是无限的,但如果在拓扑学上这些宇宙不是平坦的,则不一定是这种情况。

在物理宇宙学中,确切的形状仍然是一个有争议的问题,但是来自各种独立来源(例如WMAP、Boomerang和Planck)的实验数据证实了可观测的宇宙是平坦的,只有0.4%的误差幅度。理论家们一直在试图构建宇宙形状的正式数学模型。在形式上,这是一个3-流形(3-manifold)模型,这种模型对应于宇宙4维时空的空间部分(在共动坐标中)。目前大多数理论家使用的模型是Friedmann-Lematire-Robertson-Walker(FLRW)模型,即弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃尔克度规。

有观点认为,观测数据的结论最符合全域宇宙形状为无限和平坦的,但数据也与其他可能的宇宙形状一致,如所谓的庞加莱十二面体空间和Sokolov- Starobinskii空间(由二维点阵构成的双曲空间庞加莱半平面模型的商)。

可观测宇宙的形状

主要文章:可观测宇宙

参见:距离测量(宇宙学)

如导言所述,有两个方面需要考虑:

1.它的局部几何结构,主要涉及宇宙的曲率,特别是可观测的宇宙。

2.它的全域几何学,会涉及整个宇宙的拓扑结构。

可观测的宇宙可以被认为是一个球体,它从任何观测点向外延伸了465亿光年的距离,在时间上往回走得越远,那么红移也就越明显。理想情况下,人们可以继续回溯到宇宙大爆炸的开始点;然而,在实践中,使用光和其他电磁辐射所能看到的最远距离是宇宙微波背景辐射(Cosmic Microwave Background 简称CMB),因为早期宇宙中的任何物质都是不透明的。实验研究表明,可观测宇宙接近存在各向同性和均匀性两性质。

宇宙在膨胀的球体中。星系距离越远,其移动的速度也就最快,因此这样会经历一段时间的长度收缩,对于中央的观察者来说,它们看起来似乎变小了。图源见水印

宇宙的曲率

曲率是描述局部空间的几何形状与平坦空间的几何形状不同的量。任何局部各向同性空间(以及局部各向同性宇宙)的曲率都属于以下三种情况之一:

1.零曲率(平坦);如果三角形绘制的角度加起来为180度,那么毕达哥拉斯定理成立; 这样的三维空间由欧几里德空间(Euclidean space)E^3局部建模。

2.正曲率;如果三角形绘制的角度加起来大于180度 ;那么这种三维空间由三维球面(3-dimensional spherical space)S^3的区域局部建模。

3.负曲率;如果三角形绘制的角度加起来小于180度;这种三维空间由双曲空间(3-dimensional hyperbolic space)H^3的区域局部建模。

广义相对论解释了质量和能量弯曲时空的曲率,并用一个叫做密度参数的值来确定宇宙的曲率,这个值用欧米茄(Ω)来表示。密度参数(宇宙的实际或现测密度与弗里德曼宇宙的临界密度Ωc的比值)是宇宙的平均密度除以临界宇宙的能量密度,即宇宙平坦所需的质量和能量。换句话说,

i.如果Ω=1,宇宙是平坦的。

ii.如果Ω>1,则存在正曲率。

iii.如果Ω<1,则存在负曲率。

宇宙的局部几何结构主要取决于密度参数Ω是否大于、小于或等于1。

从上到下:Ω>1的为球形宇宙,Ω<1的为双曲宇宙,Ω=1的为平坦宇宙。这些二维表面的描述仅仅是易于可视化模拟的(局部)空间三维结构。图WJ百科。

转载请取得授权,并注意保持完整性和注明出处

本文由天文在线原创,欢迎关注,带你一起长知识!

免责声明:本站部份内容由优秀作者和原创用户编辑投稿,本站仅提供存储服务,不拥有所有权,不承担法律责任。若涉嫌侵权/违法的,请与我联系,一经查实立刻删除内容。本文内容由快快网络小媛创作整理编辑!