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科学家如何知道宇宙是如何平坦的?一千字让你看懂

发表于:2016-12-14 09:17:29   

    科学家如何知道宇宙是如何平坦的?一千字让你看懂

    宇宙是什么形状的?这是任何一位宇宙学家都孜孜不倦想要搞懂的问题,然而也是所有宇宙学家都没能完全搞懂的问题。他们最多也只能这样告诉你,事实上,呃,在大尺度上,我可以比较有把握地告诉你,宇宙是平的。

    纸可以是平的,桌面可以是平的,你正在看的显示屏是平的,然而,三维(或四维)的宇宙怎么可能是平的,它是如何平的呢?

    你可以拿出一把尺子,一个三角板,一只铅笔,在纸上画两条平行线。即使画到纸的边缘,它们也不会交叉在一起,如果你画得足够认真,足够平行,即使你再画到桌子边缘,它们也是平行的。事实上,如果你还可以把它们画长,延伸到屋子外面,延伸到街道上,无限延伸,一直到宇宙的尽头,它们也是平——等等,如果宇宙不是平的,平行线还会平行吗?

    你已经抓住了问题的关键!其实不需要延伸到宇宙尽头,这两条线就不会平行了,因为地球是圆的,是一个曲面,画在地球上的任意两条平行线,最终都会交会在一点。就像你和你的另一半,不管在生命的旅程中,你们曾经相距多么遥远,都会交会在一起,手携手,直到生命的尽头。

    科学家如何知道宇宙是如何平坦的?一千字让你看懂

    地球,太阳,星系,它们被引力紧紧聚合在一起,扭曲了周围的时空,就像地球一样,会使任何画在它们上面的平行线相交。但在大尺度上,宇宙依然是骇人听闻地空旷,平均每立方米只有5个质子。所以我们假设地球的曲面并不影响我们画平行线,我们可以把它们像光线一样,发射到太空里去。如果宇宙是平的,它们就永远不会交叉在一起;如果宇宙是曲面的,它们最终会相交到一点;如果宇宙是马鞍面,它们会一直发散开去,永远不会再见面,就像分手的恋人,各自渐行渐远。

    我们现在知道,这两条光线永远不会交叉在一起,因为宇宙是平的,除非遇到黑洞,那儿会成为它们的终点。那科学家们是怎么知道宇宙在大尺度上是平坦的呢?

    科学家如何知道宇宙是如何平坦的?一千字让你看懂

    回到刚才说的平面、曲面和马鞍面上,我们分别在上面画一个三角形,如果内角和等于180度,我们就说这个面是平面;如果大于180度,我们就说它是曲面(球面);如果小于180度,那么它就是马鞍面。你可以从图上看到,三角形在曲面上会鼓起一些,面积看起来会大一点;在马鞍面上会凹一些,面积看起会小一点。以此推理到三维空间,在宇宙诞生后的38万年,大爆炸的灰烬形成了我们今天所称的宇宙微波背景辐射,均匀地分布在宇宙中,这个背景辐射我们已经可以精确测量了。通过威尔金森微波各向异性探测器(WMAP),科学家们发现,这个背景辐射它既不鼓,也不凹,宇宙的平坦性精确到了10%以内,所以宇宙学家才敢比较有把握地告诉你,宇宙在大尺度上是的。

    科学家如何知道宇宙是如何平坦的?一千字让你看懂

    注意,钻牛角尖的来了。打过电子游戏的人都知道,在一些游戏里,游戏机的屏幕是有限但无界的,也就是说画面到了左边缘的时候,会继续从右边缘回到画面中,到了上下边缘的地方也是如此。如果我们的宇宙是这个形状,它还会是平的吗?答案是肯定的,本质上游戏机的屏幕相当于一个二维环面,也就是汽车轮胎,在它上面画平行线,平行线依然不会相交。

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