投递人 itwriter 发布于 2018-06-15 10:57 原文链接 [收藏] « »

  编者按:宇宙在扩张是一个公认的事实,但既然这样为什么我们离太阳的距离还是那么远?为什么银河系行星之间的相对距离也没有变?本文将从宏观和微观两个维度娓娓道来。本文译自 MEDIUM 中作者 Ethan Siegel 原标题为 “Ask Ethan: If the Universe is expanding, why aren’t we?” 的文章。

  20 世纪最伟大的科学发现之一莫过于宇宙膨胀说:遥远的星系比近处的星辰更快地离我们远去,就好像宇宙本身被拉长放大。从宏观意义上讲,几千万年前起,宇宙中物质和能量的浓度就一直在稀释,并一直持续着这种势头。如果我们能看向足够远的地方就会发现,遥远的星辰仿佛被洪荒之力裹挟,以非常快的速度被越推越远,以至于甚至光速都无法追赶到它们。但这之中难道没有悖论吗 —— Kent Hudson 恰恰在思考这个问题:

如果宇宙以超光速在扩张,为什么太阳系中的距离并未发生变化,我们离太阳的距离还是那么远?为什么银河系的行星之间的相对距离也没有变化?

  Kent 的预感是正确的,这些距离的确没有变化,那么宇宙到底是什么在扩张呢?

  当牛顿第一个感受到宇宙时,他将其勾勒成一张网状结构,即一个绝对固定的,充满各种混乱物质的实体,在其中各个实体依靠重力相互吸引。但爱因斯坦又发现,这张大网并不是固定的,也不是绝对的,它像布一样拥有褶皱和沟渠,可以被弯曲成其他形状,并随着时间的流逝,其中的物质和能量也在不断进化中。这些物质和能量反过来又决定着这块“布料”扩展成怎样的形状。

  但如果时空中只有些混乱的物质,它们最终免不了会陨落形成黑洞,产生宇宙大爆炸。显然爱因斯坦并不喜欢这个画面,所以他以宇宙常数的形式增加了一个“固定项”(该能量可以穿越真空区)。一旦有了这额外的一项,所有宇宙中的混乱物质就能够被制服,将宇宙回归稳态,减少重力性的陨落带来的冲击。添加了这一特征后,爱因斯坦就可以将宇宙视为永远处于稳定状态了。

  但也不是所有人都真心觉得宇宙需要稳定。第一个具体阐述该问题的人是一个叫 Alexander Friedmann 的物理学家,他证明了如果你不添加所谓“固定项”,又同时认可宇宙中充满了诸如辐射、流体等动态物质的话,那最终只有两种结果——其一,宇宙在压缩;其二,宇宙在扩张。

  数学可能能帮我们找出解决方法,但总要立足于具体的宇宙物理形态中才能得出实打实的结论。19 世纪 20 年代, Edwin Hubble 第一个发现了测量其他星系中的行星的方法,通过融合 Vesto Slipher 研究出的证明物体原子特征发生变化的方法, Hubble 得出了惊人的结论:不是所有的相对论都是错的,我们处在宇宙中心,一切都在对称运动中远离我们。或许相对论是对的,Friedmann 也没错,离银河系越远那些星球就消失得越快 —— 此论调一举将宇宙膨胀说从一个想法变成了主导思想。

  宇宙扩张的形式仿佛有点反直觉,看起来是宇宙平面本身在不断拉伸中,其中物体间的距离被越拉越远。如果一物离另一物越远,其间的“拉伸”就越多,因此它们间的相互远离越快。假使宇宙中的物质均匀分布,则它们的密度会越来越小。

  但宇宙中并不是均匀分布的,其中有超密区(如星辰分布区),也有稀疏区,之所以会产生这种情况就说明不只是宇宙膨胀在起作用,还有其他作用力也分布其间。微观上,在动物大小的层面,电磁和核力量占主导地位;宏观上,如行星,太阳系和星系中,引力占主导地位。

  从极为宏观的角度来讲,宇宙的确在膨胀,但别忘了,还是存在微观环境的,在某些环境中膨胀这一力量也许已经被其他力消解了。如处女座集群本身依然受到引力约束;银河系和所有本地的星系团也依然保持在一起,并最终在自己的引力下合并;地球将继续以相同的距离绕太阳运行,地球本身也会保持相同的大小,并且构成其上的所有原子不会扩大。为什么会这样?因为宇宙的膨胀只有在另一种力量:无论是引力、电磁还是核,都没有克服它的时候才会产生影响。如果一些力量能够成功地把一个物体捆绑在一起,即使是不断膨胀的宇宙也无可奈何。

  所以解释这件事的原因很微妙。宇宙扩张与其说是一种力量,倒不如说是一种速度。 空间在各个层面虽在不断扩大,但其影响是循序渐进的。 在任何两点之间空间都会有一定的扩张速度,但如果这个速度小于两物体间的逃逸速度(如果有力量约束它们),二者间的距离就不会增加。 如果距离没有增加,那么扩张力就没有影响。所以在一个不断膨胀的宇宙中,稳定的,受约束的物体可以永恒地存活下来。 正如物理学家理查德·普赖斯(Richard Price)曾经说过的那样:“你的腰围可能会扩散,但你不能把它归咎于宇宙的膨胀。”

  只要宇宙的属性可知,这就永远会是事实。虽然暗能量可能存在并导致遥远的星系加速远离我们,但是扩展到固定距离的效应并不会增加。只有在宇宙大爆炸的情况下,这个结论才会改变。

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