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那些困擾萌新但又老生常談的宇宙問題

Linvo說宇宙 2024/3/23 12:38:07 責編:夢澤

老觀眾們可能還記得,剛開始做雜談系列的時候曾做過幾期答疑視頻。后來有代表性的問題漸漸少了,于是就慢慢做成現(xiàn)在的專題形式了。今后打算重新把答疑視頻做起來,并且從雜談系列獨立出來,單獨做一個“宇宙問答”系列。每期不會太長,更新時間也不固定,應該會和“新鮮事”系列一起穿插更新。

因為一直是一個人在做視頻,查資料、寫稿、錄音、找素材、剪輯,之前周更的工作量幾乎已經(jīng)飽和,所以不是不想把視頻做長,也不是不想提高更新頻率,實在是心有余力不足。所以呢,今后的視頻打算不再限定在周五,不管哪個系列,什么時候做完什么時候發(fā)。但是放心,整體的更新頻率只會比之前高,不會低。

好了,作為問答系列第一期,先整理些老生常談的問題。

1、宇宙大爆炸的奇點在哪?

先說結論:奇點就是宇宙本身!

很多人會把宇宙大爆炸理解成“宇宙是從一個點炸出來的”,這個理解有個很大的問題:宇宙并不是先有空間,再在空間中爆炸,而是空間是隨著大爆炸產(chǎn)生的。這也是宇宙大爆炸和日常生活中的爆炸不同的地方。個人覺得,宇宙大爆炸的“爆炸”更多是一個形容詞,用來形容“空間快速膨脹”。對整個宇宙來說,它就是從當初那個奇點膨脹來的,所以壓根不存在所謂的“奇點在哪”這個問題。

2、奇點的“奇”到底是讀 qí,還是讀 jī?

先說結論:我的觀點是讀 qí。

從“奇點”英文(singularity)的本意來看,它有“奇怪”、“奇特”、“異?!钡囊馑?。黑洞的奇點在物理上它是個引力異常處,是個“異?!钡狞c;在數(shù)學上,它是函數(shù)不連續(xù)或?qū)?shù)不存在的一個點,也就是具有“奇異性”的點。所以無論從哪方面來看,讀“qí”都非常合適,即貼合實際意義也很好理解。不過不少人習慣性地讀 jī,其實問題也不大,大家沒必要在這個問題上糾結。

3、宇宙的中心在哪?

先說結論:宇宙沒有絕對的中心。

基于宇宙是無界且各向同性的角度來說,你可以把一個三維球體的二維表面想象成我們的宇宙(只不過降了一維)。對于一個二維的球體表面來說,它不存在絕對意義上的中心,任何一個點都可以作為中心。所以,對宇宙中的每個觀測者來說,他就是宇宙的中心。

4、我們最遠能看到哪?是可觀測宇宙的邊界嗎?

先說結論:從光子的角度來說在最后散射面,也就是宇宙微波背景輻射。

由于早期的宇宙尚處于光子耦合時期,光子被禁錮著,那時的宇宙并不透明。大約到了大爆炸后 38 萬年,光子們終于擺脫了禁錮跑了出來,這些自由了的光子就是我們能看到的最早的光子,同時也是最遠的光子。所以,光子的最后散射面(或者說背景輻射)就是我們能夠看到的最遠的地方。經(jīng)歷了 138 億年的膨脹,如今這個地方距離我們已有 465 億光年遠。

所以對于“可觀測宇宙”通俗的理解就是:以我們?yōu)橹行模?65 億光年為半徑的整個球形區(qū)域。至于這個“465 億光年”的數(shù)值怎么來的,它是基于哈勃常數(shù)(H0)、紅移(z)、物質(zhì)密度(Ωm)、空間曲率(Ωk)以及宇宙常數(shù)(Ω∧)等參數(shù)算出來的。

5、宇宙究竟是有限的還是無限的?如果是無限大的話,在有限的時間里從小到大的膨脹過程又該怎么解釋?

先說結論:并無定論。

只能說目前的觀測結果對于這兩種情況都是支持的。有限的觀點很好理解,這里重點解釋下無限的觀點如何理解。

在宇宙學里,當我們說宇宙從小變到大時,其實指的不是宇宙的總大小,而是尺度因子。尺度因子可以理解為一個描述宇宙膨脹的參數(shù)。在大爆炸初期,宇宙的尺度因子非常小,也就是宇宙中的各點挨得非常近。隨著時間流逝,這些點開始彼此遠離,對應的就是尺度因子增大了。也就是說,說它變大只是內(nèi)部各點之間的間距變大了,對于整個宇宙來說它可能本來就是無限大的??傊钪媾蛎洸⒉灰笥钪媸怯邢捱€是無限,一個無限的宇宙仍然可以從非常致密的狀態(tài)開始膨脹。

6、宇宙膨脹速度為什么可以超光速?一些星系超光速遠離我們不違背相對論嗎?

先說結論:因為它是空間本身的變化,而非物體的真實運動。

宇宙膨脹速度和光速其實并不是同一種物理量,不能直接比較。宇宙膨脹速度指的是空間的尺度因子隨時間的變化率,而光速指的是光在某個參考系中的傳播速度。宇宙膨脹并不是物體相對于空間的運動,而是空間本身的變化,所以并不違背相對論。

你也可以想象一只正在充氣的氣球,氣球表面原本相距 1cm 的兩個點,隨著氣球的變大,它們之間的距離變成了 10cm。從球體表面來看,你不能說這個點的運動速度是 10cm/s。這里的點實際上沒有動也并不會動,只是它們之間的空間增加了。

由于空間增加了,所以我們發(fā)現(xiàn)許多星系在遠離我們,它們遠離我們的速度被稱為“退行速度”。退行速度并不是固定值,它與具體星系到我們的距離有關。距離我們越遠的星系,它遠離我們的速度就越快。當距離我們足夠遠時,星系的退行速度就會超過光速,之后它發(fā)出的光就再也無法到達我們,這個距離大約在 145 億光年左右。

7、既然宇宙在膨脹,為什么未來銀河系和仙女座星系還會相撞

先說結論:因為它倆的距離太近了,引力效應更明顯。

宇宙的空間膨脹并沒有你想的那么夸張,它通常在星系團以上這個尺度才會凸顯,不然我們的生活早就亂套了好嗎。

剛才說了,星系的退行速度和它與我們的距離有關。就銀河系和仙女座星系之間的距離來說,此時引力效應更顯著,它倆相互靠近的速度遠遠大于空間膨脹導致的退行速度,因此,未來它們并不會因為宇宙膨脹而疏遠。

8、都說太陽是第三代恒星,之前的恒星殘骸去哪了?

先說結論:1、太陽可能沒有明確的某一個“上代恒星”;2、時間太久,找不到了。

首先,恒星的誕生不像生孩子,它們可能沒有所謂的“直系親屬”。構成恒星的原材料除了來源于某一顆上代恒星以外,往往也包含了其他恒星拋灑出來的物質(zhì),甚至包括大爆炸之初的原始星際物質(zhì)。

其次,我們的太陽從當初某個疏散星團中誕生,到后來隨著解體后的星協(xié)運動,再到慢慢掉隊開始獨自在星際間游蕩。截止目前它已經(jīng)繞著銀河系中心轉(zhuǎn)了十幾、二十圈了,加上這中間銀河系還經(jīng)歷了吞并矮星系等各種雜七雜八的事,在這 46 億年的漫長歲月里,我們的銀河系早已是滄海桑田。

最后再解釋下這個“真?老生常談”的問題,這個問題我發(fā)現(xiàn)不管解釋多少遍,無論到什么時候,總還是會有人不理解。

9、為什么要把地球上的知識套用到整個宇宙?

先說結論:你有更好的嗎?

說實話,如今的天文學、宇宙學確實都建立在一個假設前提之上,它被稱為“宇宙學原理”:在大尺度上宇宙是均勻且各向同性的,這也被視為天文學的“第一性原理”。既然是假設出來的,說明它不一定正確,那為什么要遵循這么個前提呢?

首先,這個假設給了我們一個基準線:先默認宇宙處處都一樣,如果發(fā)現(xiàn)哪不一樣再一點點修正。你說它可能不正確,當然可能,但那又怎樣?邁出第一步是最重要的,你能一下子提出更好、更準確的模型嗎?“哪哪都一樣”是所有假設中最簡單、最樸素的一種假設,不管對不對先用出去再說,遇到情況再調(diào)整。

其實天文觀測已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了很多宇宙學原理不能絕對成立的例子,比如宇宙微波背景輻射為什么存在細微的各向異性,為什么宇宙中存在星系長城、宇宙空洞這類大尺度結構等等。

天文學家們其實對那些違反現(xiàn)有理論的現(xiàn)象更為期待,這意味著,要么我們的觀測出問題了,需要改進;要么我們的理論出問題了,需要修正。不管是哪種,只有這樣我們的天文學才能避免固步自封,不斷向前發(fā)展。

本文來自微信公眾號:Linvo 說宇宙 (ID:linvo001),作者:Linvo

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關鍵詞:天文,宇宙

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