溝渠網(wǎng) 【科技在線】 膨脹的空間結(jié)構(gòu)意味著星系離我們?cè)竭h(yuǎn)，其遠(yuǎn)離我們的速度就越快。 地球鄰近的時(shí)空受太陽(yáng)和其它天體引力影響而發(fā)生彎曲，它是構(gòu)成可觀測(cè)宇宙較大區(qū)域的一部分，在這個(gè)人積范圍內(nèi)，空間結(jié)構(gòu)出現(xiàn)膨脹。 我們并未觀測(cè)到空間的真實(shí)結(jié)構(gòu)，僅是宇宙物質(zhì)和輻射。 圖中頂部是宇宙物質(zhì)，中部是放射線，底部是宇宙膨脹過(guò)程中不斷變化的宇宙常數(shù)。 圖中是室女座超星系團(tuán)中各種星系群凝聚在一起，在較大范圍內(nèi)，宇宙是均勻的，但是當(dāng)你注意星系或者星團(tuán)時(shí)，超密度和低密度的區(qū)域占據(jù)主導(dǎo)，而宇宙則顯得非常不均勻。 北京時(shí)間8月2日消息，據(jù)國(guó)外媒體宣傳，自上世紀(jì)30年代，科學(xué)家就知道宇宙開(kāi)始膨脹，但是我們是否也隨之一起膨脹，這是科學(xué)家經(jīng)常提及的問(wèn)題。一般人們的自我意識(shí)會(huì)認(rèn)為宇宙不會(huì)膨脹，而是宇宙任何事物逐漸收縮，我們?cè)趺磪^(qū)分其間的差異性呢? 如果宇宙處于膨脹之中，那么我們是否也會(huì)膨脹呢?目前，專門研究量子引力和高能物理的理論物理學(xué)家薩賓 霍森菲爾德(sabine hossenfelder)撰文對(duì)這一觀點(diǎn)進(jìn)行深入拆析。他指出，使用數(shù)學(xué)做法或許是佳解答方案，但是該問(wèn)題不太容易通過(guò)一系列方程式進(jìn)行解答，因?yàn)榇诉@是一個(gè)概念性問(wèn)題。 薩賓指出，理解宇宙膨脹的第一條線索是空間-時(shí)間廣義相對(duì)論，而不是一個(gè)空間廣義相對(duì)論，正如1908年科學(xué)家赫爾曼 明科夫斯基(herman minkowski)所說(shuō)的： 從今以后，空間就是空間，時(shí)間就是時(shí)間，只有兩者保持一個(gè)獨(dú)立現(xiàn)實(shí)體，否則它們將在陰影中逐漸消逝。 第二條線索是必需從科學(xué)測(cè)量立場(chǎng)進(jìn)行解答，至少大體上上是這樣的。我們無(wú)法觀測(cè)空間，也無(wú)法觀測(cè)空間-時(shí)間之間的關(guān)系，我們僅能注意空間-時(shí)間怎么影響物質(zhì)和輻射，我們通過(guò)探測(cè)器能夠進(jìn)行測(cè)量。 第三條線索是廣義相對(duì)論中的 相對(duì)性 ，這意味著每位觀測(cè)者可以選擇自己所描述的空間-時(shí)間關(guān)系，雖然各個(gè)注意者的計(jì)算結(jié)果都各有不同，但他們會(huì)得出相同的結(jié)論。 基于以上三條重要線索，將使我們更深入地洞悉宇宙膨脹狀況。宇宙學(xué)家使用 弗里德曼 羅伯森 沃克模型(該模型以發(fā)明者命名) 描述宇宙，基本假設(shè)是空間充滿物質(zhì)和輻射，它們?cè)诟鱾€(gè)區(qū)域和方向都具有相同密度。正如術(shù)語(yǔ)所描述的，它具有均勻和等向性，這種假設(shè)被稱為 宇宙原理 。 雖然該宇宙理論初僅是一個(gè)貌似真實(shí)的假設(shè)，并且也獲得了證據(jù)支持。在大比例尺度上，物質(zhì)確實(shí)分布在宇宙各個(gè)區(qū)域。但很明顯的是，在較短距離范圍，例如：銀河系內(nèi)部，銀河系是一個(gè)盤狀結(jié)構(gòu)，多數(shù)質(zhì)量凝聚在中心隆起部分，這些物質(zhì)質(zhì)量并非均勻分布。因?yàn)榇?弗里德曼 羅伯森 沃克模型 并不適用描述此類星系。 這是一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，如果忽視它，將會(huì)混淆宇宙膨脹的起源論，描述宇宙膨脹的廣義相對(duì)論方案可以解釋愛(ài)因斯坦方程式，但它僅適用于較大的宇宙空間。但是描述星系的做法是不同的，一種做法認(rèn)為宇宙不會(huì)膨脹，宇宙并非不知不覺(jué)地膨脹，而是根本不會(huì)膨脹。完善描述宇宙膨脹的處理方案是 在非膨脹星系之間膨脹空間。目前基于其數(shù)學(xué)多而雜性，該處理方案僅是通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬獲得的結(jié)果。 你可能會(huì)問(wèn)，達(dá)到怎樣的距離會(huì)出現(xiàn)宇宙膨脹?當(dāng)宇宙平均體積非常大，物質(zhì)的自吸引引力弱于膨脹牽引力，對(duì)于原子核，宇宙平均體積越大，其平均密度就越小;但是只有超越了星系簇等級(jí)的范圍，才會(huì)出現(xiàn)膨脹。在非常短的距離，當(dāng)核作用力和電磁作用力并未中立時(shí)，它們也會(huì)對(duì)引力牽引產(chǎn)生作用，這樣可以安全保護(hù)原子和分子，不會(huì)被宇宙膨脹撕碎。 但事實(shí)是這樣的，我所講的都依靠于一種 自然做法 ，能夠分割空間成為空間-時(shí)間。宇宙微波背景輻射(cmb)將幫助我們實(shí)現(xiàn)，分割空間和時(shí)間的做法僅有一個(gè)，宇宙微波背景輻射在全部方向上都保持相同性。分割之后，研究人員仍能采集到時(shí)間標(biāo)簽，但是分割已完成。 打破科學(xué)家赫爾曼 明科夫斯基所提及空間和時(shí)間統(tǒng)一性的做法是一種 空間切片法 ，的確，這非常像切面包片，每一個(gè)切片都間隔一定的時(shí)間?？茖W(xué)家有多個(gè)做法切片面包片，也會(huì)有越來(lái)越多的做法切割空間-時(shí)間，依據(jù)霍森菲爾德所提及的第三條線索，這種情況是完全被允許的。 霍森菲爾德指出，物理學(xué)家選擇切片法的理由一般是通過(guò)巧妙地 切片 ，能夠使計(jì)算很大程度地簡(jiǎn)單化，但是如果你真的一再，一點(diǎn) 宇宙切片 將證實(shí)空間不發(fā)生膨脹。然而，這些切片會(huì)變得非常棘手：不太容易對(duì)它們進(jìn)行解釋，并做出計(jì)算。對(duì)于這樣的切片，例如：隨著時(shí)間的推移將你推至太空，這完全不是憑直覺(jué)完成的。 事實(shí)上，你可以在地球周圍的空間-時(shí)間范圍內(nèi)完成，你可以分割空間-時(shí)間，從而使人類周圍的空間保持平坦，盡管如此，這種分割不太容易實(shí)現(xiàn)，同時(shí)沒(méi)有任何意義。這種情況下存在第二條線索的相關(guān)性，我們真的不必討論空間怎么開(kāi)始，正如你一再宇宙不會(huì)膨脹的空間定義，但是你可以想像，將定義的空間想像為一座城市，例如：美國(guó)布魯克林市，它發(fā)生膨脹。假設(shè)一個(gè)街道長(zhǎng)1英里，第二天膨脹會(huì)使街道變成2英里，下個(gè)星期這個(gè)街道會(huì)變成10英里，以此類推，很明顯這種假設(shè)很愚蠢，是沒(méi)有意義的。 但是目前研究人員可以借助測(cè)量手段，例如：在一個(gè)固定高度，在兩個(gè)街道末端進(jìn)行激光束反射測(cè)距，或者采用原子鐘測(cè)量?jī)纱渭す馐磸椫g的時(shí)間間隔。你將發(fā)現(xiàn)時(shí)間間隔總是相同的。 原子鐘依靠于恒定不變的原子躍遷頻率，與重心引力相比，原子內(nèi)部的引力可以完全忽略不計(jì)數(shù)，它比重心引力低大約40個(gè)數(shù)量級(jí)，固定在一定高度可不使地球引力所造成的引力紅移。不管研究人員采用哪個(gè)坐標(biāo)，總能發(fā)現(xiàn)相同和清晰的測(cè)量結(jié)果：激光反彈的時(shí)間間隔是相同的。 在宇宙學(xué)中，這將有助于弄清我們所測(cè)量的事物，我們不測(cè)量星系之間的空間大小，那我們?nèi)绾巫瞿?我們測(cè)量了遙遠(yuǎn)星系的光線，結(jié)果表明它們存在有條不紊的紅移。一個(gè)簡(jiǎn)單的做法可以描述這一過(guò)程，采用空間-時(shí)間分割可使計(jì)算和解釋變得更加簡(jiǎn)單，有用于描述星系之間膨脹的空間。

因?yàn)椋@個(gè)答案非常簡(jiǎn)單。 隨著宇宙膨脹，宇宙中的任何束縛物質(zhì)都不會(huì)膨脹。 來(lái)自遙遠(yuǎn)星系的光向紅色邊緣移動(dòng)意味著哪個(gè)遙遠(yuǎn)星系將遠(yuǎn)離我們的地球。 如果采用空之間-時(shí)間分割法，宇宙物質(zhì)保持靜止，之后宇宙物質(zhì)的密度減少，這一點(diǎn)可以不援用廣義相對(duì)論進(jìn)行說(shuō)明。