宇宙
宇宙的形状不能用日常的术语来讨论,因为所有的术语都需要是爱因斯坦相对论的术语。因此,宇宙的几何学不是我们日常生活中普通的欧氏几何学。
根据狭义相对论,如果两个不同的事件在空间上是分开的,就不可能说这两个事件是否同时发生。从狭义相对论的角度来看,谈论"宇宙(在某一时间点)的形状"是天真的。由于同时性的相对性,我们不能把空间中的不同点说成是"在同一时间点上",因此也不能说是"宇宙在某一时间点上的形状"。
天体物理学家所做的是询问一个特定的宇宙模型是否与通过对宇宙的观测和测量所知道的一致。如果可观测到的宇宙比整个宇宙小(在某些模型中,它比整个宇宙小许多数量级,甚至是无限小),那么观测就只限于整个宇宙的一部分。
对宇宙形状的考虑可以分为两种。
- 局部几何学,它特别涉及到宇宙的曲率,特别是在可观测的宇宙中,和。
- 全局几何学,它涉及到整个宇宙的拓扑结构,其测量可能是不可能的。
可观测的宇宙是检验任何宇宙模型的基础。它是一个以观察者为中心的球形体积(一个球),而不管整个宇宙的形状如何。宇宙中的每一个位置都有自己的可观测宇宙,它可能与以地球为中心的宇宙重叠,也可能不重叠。
最近的测量结果使得美国宇航局表示:"我们现在知道宇宙是平坦的,只有0.4%的误差范围"。在一个模型中,FLRW模型,目前发现最流行的符合观测数据的宇宙形状是无限平坦模型。还有其他模型也符合数据。
930亿光年--或280亿帕秒--三维可观测宇宙的可视化。比例尺是这样的,细小的颗粒代表了大量超星团的集合。处女座超星团--银河系的故乡--标在中央,但太小了,在图像中看不出来。
问题和答案
问:根据目前的观测结果,宇宙的形状是什么?答:根据最近的测量,美国宇航局表示,宇宙是平的,只有0.4%的误差。
问:狭义相对论如何影响我们对宇宙形状的理解?
答:由于同时性的相对性,如果两个不同的事件在空间上是分开的,就不可能说这两个事件是否在同一时间发生。这意味着我们不能把空间中的不同点说成是 "在同一时间点",因此也不能说是 "在某一时间点的宇宙形状"。
问:天体物理学家在讨论宇宙的形状时使用什么类型的几何学?
答:天体物理学家在讨论和测试描述和预测宇宙的模型时,使用爱因斯坦的相对论。他们还考虑到局部几何学,特别是与曲率有关的局部几何学和与拓扑学有关的全局几何学。
问:宇宙中的每个位置都是可观测宇宙的一部分吗?
答:是的,宇宙中的每个地方都有自己的可观测宇宙,它可能与以地球为中心的宇宙重叠,也可能不重叠。
问:当提到描述/预测宇宙的某个模型时,"平坦 "是什么意思?
答:在一个叫做FLRW(弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃克)的模型中,"平坦 "指的是一个无限平坦的模型,它被发现最适合观测数据。它意味着无论你在哪里看,空间都是均匀的,在这个特定的模型中没有任何曲线或弯曲存在。
问:除了FLRW的无限平坦模型外,还有其他符合观测数据的模型吗?
答:是的,除了FLRW的无限平坦模型,还有其他模型也符合观测数据。