宇宙一直在膨胀,为啥你不会受其影响而变胖?

作者: Ethan Siegel

来源: 中科院物理所

发布日期: 2017-03-29 10:41:41

宇宙膨胀是20世纪重大发现之一,尽管宇宙在膨胀,但行星和原子并不膨胀。这是因为引力、电磁力和核力等基本力在小尺度上抵消了宇宙膨胀的效应。宇宙膨胀和万有引力的竞争在大尺度上导致星系远离,而在小尺度上维持了行星和原子的稳定。

宇宙膨胀就如脑袋里天马星空的想法,它不会演化成异类,只是变得更加稀疏罢了。如果宇宙在膨胀,我们不难理解远处的星系一直在远离我们,那么问题来了,为什么行星、原子就不膨胀呢?宇宙膨胀是20世纪重大发现之一。无论是邻近的星系还是遥远的星系都在远离我们,只是遥远的星系远离的速度更快些,就好像整个空间正在被拉伸。

从宏观的角度来看,在过去的几十亿年里,宇宙的物质和能量密度一直在减小,并且这样的现象随着时间推移将继续下去。牛顿曾经设想宇宙是网格状的,它是一个固定的实体,星球通过万有引力互相吸引着从而维持平衡。后来爱因斯坦发现,宇宙并不是像牛顿描述的那样,这张网并不是固定的,相反,由于物质和能量的存在,这张网是可以扭曲拉伸的,而且这些物质和能量可以决定这张网是如何被拉伸的。

根据相对论的解释,当一个有质量的物体体积趋于0时,其引力会达到无法想象的地步,从而改变空间,导致光都无法在其空间里逃避,进而形成时空扭曲。爱因斯坦引入了一个宇宙学常数进行修复。这个参数可以防止重力塌缩,并使宇宙处于一个近乎恒定的状态。但并不是所有人都支持爱因斯坦的观点,亚历山大·弗里德曼就是其中一个质疑者。

他说,假如没有引入宇宙学常数,那么这个拥有各种物质,辐射,灰尘、液体的宇宙将变得蠢蠢欲动,也就是变成一个收缩的宇宙或者膨胀的宇宙。数学计算只能告诉我们宇宙演化方式“解的个数”,我们还需通过物理意义找到唯一解。这个物理意义在20世纪20年代被哈勃找到了。哈勃发现,一个星球是可以在其他星系被观测到的,并且可以确定观察者与该星球的距离。

膨胀率(y轴)与距离(x轴)的关系,宇宙膨胀速度比过去更快,至今仍在加速。这是一个现代版本,是哈勃当年的数据数千倍。如果说宇宙一直在膨胀,这不是和我们日常生活观察到的不相符合吗?我们很难想象,随着时间推移这张网慢慢地被拉扯,一直在变大,网里的东西互相拉扯着,那么网里的物质随着网的变形,密度也在慢慢变小。

图中蓝色的区域是密度较大的区域,这些区域是通过引力作用慢慢聚集在一起的,随着时间的推移这些区域很可能形成星球或者星系。红色区域表示该区域温度较高,原因是这些区域存在着引力势阱。但是,宇宙的对称性并不是十分完美,它有一些质量密集的区域,例如行星,恒星,星系和星系团,也有一些密度极小的区域,例如巨大的宇宙空洞,这个空洞几乎没有质量。之所以会有那些区域,是因为宇宙还存在其他的物理现象。

在小尺度上,如动物,此时电磁力和核力起主要作用;在大尺度上,如行星、太阳系、星系,则引力占据主导地位。在较大的尺度里,随着宇宙的膨胀,星系慢慢消失。在较小的尺度里,引力占据主导地位,随着时间的推移,形成行星、星系、星系团。宇宙的膨胀和宇宙万物之间万有引力的竞争是整个宇宙最大的竞争。

在大尺度范围里,宇宙膨胀胜出,因此遥远的星系还在继续远离我们,即使我们发射的信号的传播速度和光速一样,也无法到达那些遥远的星系。在我们周围1亿光年的宇宙空间里,存在着数千个星系。处女座星系在其内部引力的相互作用下维持稳定,但是银河系将继续膨胀。但是,在小尺寸的范围里,宇宙扩张被万有引力抵消。在处女座星系里,存在着引力的约束。银河系中的星球,通过万有引力牢牢地束缚在一起。

地球的公转轨道距离不会变大,原子也不会扩张。也就是说,如果某区域的引力、电磁力、核力等不能抵消宇宙膨胀的“张力”,那么该区域就会持续膨胀,但是如果该区域存在着可以抵消“张力”的其他力,此区域就不会膨胀。宇宙膨胀现象的确存在,我们的某些测量数据也证实了这一点。暗能量(编者注:暗能量是一种充溢空间的、增加宇宙膨胀速度的难以察觉的能量形式)的存在使得遥远的星系加速离开我们,但是也存在距离固定不变的区域。

但是,在2003年有人提出宇宙大撕裂假说,关于宇宙的终极命运,假说中认为宇宙中的物质,从恒星和星系到原子和次原子粒子,在有限时间的未来会因为宇宙的膨胀进一步的被撕裂,理论上,宇宙的尺度因素在未来有限的时间会变得无限大。也就是说,如果该假说成立,那么咱们之前结论就有错误,因为此时距离是一定会变大的。宇宙一直在膨胀,但它对每个个体的影响不尽相同。

如某些力的作用抵消了宇宙的膨胀,那么咱们就观察不到宇宙膨胀现象。只有当物体之间的束缚力无法约束宇宙那颗流浪之心的时候,宇宙膨胀现象才是明显的。

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