宇宙在膨脹,那它膨脹的空間來自何處?

雨洛花

宇宙膨脹來自空間本身。空間這個概念不能用日常生活的想法去理解。

假如我們看到一個房子,面積200平方米,層高3米5,我們可能會說,這房子還挺大的,這裡面的“大”就是日常生活中的對空間的理解。

如果我們稍微想一下,房子的“空間”其實上是由牆壁、地板和天花板來限定的。牆壁也好,地板和天花板也好,實際上都是由物質組成的,這些物質並不是空間本身

↓通常用來解釋宇宙膨脹的的比喻就是用物質(麵包或者氣球)來代替空間,所以也是有些誤導在裡面的,圖片來自wiki↓

在物理上,空間是用數學公式和座標來表示的。然而,在生活中,我們看不到、摸不著空間本身,我們也不習慣使用座標來表示空間。比如,很少有人會說,“今晚來我家玩吧,座標是東經xx度xx分xx秒,北緯xx度xx分xx秒,海拔xx米”,而是說“xx街xx小區xx樓xx房間”。

在生活中,如果有一條馬路長5公里,我們想要把它變長一倍,那麼就需要運來一堆鋪路的材料,然後請工人師傅來鋪好5公里的路。

但是空間不是物質的,不需要建築材料,也不需要請工人師傅。空間只要膨脹就好了,這裡面沒有什麼多出來的空間,它自己就是空間。

同樣的,從概念來說宇宙就是所有的一切的統稱,“宇宙之外”這種說法就像問“為啥太陽不在晚上出來”一樣。


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喬小海

為了理解宇宙的膨脹,我們一般把自己設想為一個二維的生物,比如是在一個水平的表面上四處爬行的蟲子。我們不能離開這個平面,而且我們只能看到平面內的各個方向,不能往上或往下看。換句話說我們是生活在二維世界中的;一些作者稱這樣的世界是平面國。

如果這個表面是個平面,我們可以用x和y兩個座標來表示我們的位置,如果這個平面在x和y方向上是無限延伸的,我們稱這個空間是無限的,不論我們走多遠,我們都無法到達一個邊界或邊緣。

把這樣的一幅圖像推廣到三維並不容易。我們必須設想我們的三維空間是被嵌入到一個四維或更高維空間裡的。我們真實的三維空間並不是笛卡爾空間;為了描述在任意小區域裡它的性質我們至少需要一個額外的參數,“空間的曲率”,它可以與球面的半徑類比。在某種程度上——這個標度因子,我們將繼續稱之為R——它描述了宇宙的尺寸,就好比球的半徑描述了我們二維球形宇宙的尺寸。

這裡有個令人驚訝的事情:在哈勃定律中,如果遙遠的星體距離我們非常遠,那麼退行的速度將超過光速。但這並不違背狹義相對論,因為退行速度並不是天體在它所在的空間區域相對於某些座標的運動。實際上,只要空間自身在膨脹,兩套座標系就能以足夠大的速度,甚至以大於光速互相遠離。換句話說,存在這樣的物體它們所在的座標系以如此大的速度遠離我們的座標系,以至於它們的光即使用整個宇宙的時間也無法傳播到我們這裡。我們看到的只是可以觀察到的宇宙;在它的視界之外存在著什麼,我們沒有直接的證據。

根據最新的宇宙理論和宇宙觀察,我們的宇宙是平直的。一個過時的或常見的誤解是把我們的宇宙想象為一個氣球的膨脹,很多但有限的星系正在向未被佔據的空間膨脹。

但實際情況根本不是這樣。現在的宇宙觀察證據表明我們的宇宙是無限的:它沒有邊緣,所以在它的“外面”沒有東西,而且它也沒有“膨脹進”任何東西里。宇宙的膨脹僅僅意味著宇宙的標度因子在增加。一個好的二維類比是把宇宙想象為一個平坦,無限大的橡皮膜,它正在被拉伸和擴張就好像氣球的表面一樣。某種意義下,這個無限的宇宙只是變得更加無限了。


物理思維


目前對於宇宙的很多設想都是人類的猜測,宇宙大爆炸學說也引起了大量的好奇心。這確實是一個讓人匪夷所思的問題。


如果按照宇宙大爆炸學說,宇宙起源於一個極小的奇點,它具有無限大的物質密度、無限彎曲的時空。在奇點爆炸的一瞬間,宇宙開始了一種奇蹟般的爆發之路,宇宙以光速的高強速度迅速膨脹著,各種基本粒子在不一樣的溫度下不斷施展著魔術,創造著質子、中子、電子等,又形成了原子,構築起了不同的元素,不同的元素因為各種基本力和化學反應,又發生著千奇百怪的變化,形成了各種不一樣的物質,構築起了今天這個多姿多彩的地球世界,也組成了奇幻的宇宙空間。、



我們對於宇宙的認識其實還處於初級階段,如果宇宙的起點是一個奇點,那麼宇宙所佔據的大片空間從何而來,這個問題確實讓人很疑惑,所以過去有一個叫做多元宇宙的理論,有科學家猜想,在一條宇宙的大河中,有很多很多的宇宙,每個宇宙就如同一個泡泡,不斷地被吹大,又不斷的破碎,可能每個宇宙的物理特性也是完全不同的,不是每個宇宙都可以產生生命的。今天又有科學家認為宇宙類似一個好一個平坦,無限大的橡皮膜,它正在被拉伸和擴張就好像氣球的表面一樣。而這兩個猜測理論背後,也是有神論和無神論的區別,有些科學家認為宇宙是一個被製造出來的可控制的物質,而另外一些科學家認為宇宙就是自然形成的物質。


宇宙的問題永遠是一個熱門的話題,相信隨著一代又一代科學家的不斷探索,會有更加準確的答案浮現在我們的面前。


科壇春秋精選

宇宙有兩個含義,廣義的宇宙是一切時間和空間的總和,它是無限的絕對的永恆的。狹義的宇宙是指我們人類所生活和認識的空間和時間,它是有限的相對的有生滅變化的。我們把無限的絕對的宇宙叫總宇宙,總宇宙包括一切狹義的宇宙,當然也包括我們的宇宙。

我們對於宇宙的認識一直侷限於對宇宙的觀測範圍,從地心說到日心說到銀心說再到爆炸說。宇宙在膨脹,是因為我們觀測到的宇宙星系都在離我們遠去。那麼我們沒有觀測到的宇宙世界是什麼樣的呢?不要以為我們已經觀測了九百多億光年的範圍就夠大夠全了,這只是整個宇宙中非常渺小的一滴水珠,水珠在受熱後正在膨脹,而整個太陽系也許只是這個沙塵中的一個原子。水滴外面的世界已經超乎人類的想象,也許是一片沙漠,也許是一片海洋,也許只是一片葉子。

總宇宙是一切空間和時間的總和。從空間上來說是無窮大的,無邊無際。從時間上來說也是無窮盡的,無始無終。我們生活的空間時間,或者說我們所認識的空間時間,始終是有限的。這個有限的空間和時間,稱為我們的宇宙,它只是整個大宇宙空間和時間的一部分。我們觀測到空間在膨脹,向哪裡膨脹?當然是向我們現在還不認識的空間膨脹,向我們的宇宙之外膨脹。總宇宙空間無限,再膨脹也出不了總宇宙的範疇。我們認為我們的宇宙起源於一次大爆炸,爆炸的物質和能量從哪裡來,當然是總宇宙中來。

我們的宇宙是一個封閉的三維空間體系,是一個四維球體的三維外表。這個球體起源於一個物質和能量高度密集的多維體(不是沒有大小的什麼奇點,這個多維體是有大小的),多維體內部能量被壓縮到一定程度就會爆炸開來,形成一個四維球體的三維外表空間。四維球體內部可能是空的,也可能有其他物質和空間體系,但是都和我們無關,我們只是生存在這個球體外表的三維空間體系內。目前這個四維球體正在膨脹,帶動我們的三維空間也在膨脹。膨脹的結果有三種,一是空間物質量較少,其產生的引力不足以抵抗膨脹的力量,最終空間體系會脹裂,空間物質飄散到高維空間,這個宇宙宣告滅亡。二是空間物質量較多引力最終戰勝膨脹力量,膨脹到一定程度會收縮,整個四維球體一起收縮,帶動宇宙的三維空間一起收縮。最終在引力作用下收縮到及其密集的程度,三維空間已經不能容納所有物質,於是三維空間向內崩塌,整個空間物質被壓縮到四維球體內,進一步壓縮成一個多維體狀態,又回到大爆炸前的狀態。在收縮過程中會散失部分物質,這時多維體強大的吸引力量將周圍物質再吸收進來。物質能量達到一定程度會再次爆發產生一個新的宇宙,但肯定不是原先的宇宙了,新宇宙可能空間粒子構成運行規律等等一切都和舊宇宙不同,也有可能不是三維空間體系,可能是四維空間,或者二維空間。第三種情況是空間物質總量不多不少,恰好能夠使引力和膨脹力達到平衡,空間體系會在一個範圍內不斷膨脹收縮再膨脹再收縮循環。但是這種循環不會是永久的,空間物質在不斷收縮膨脹過程中會散失部分物質,也可能會吸收一些物質。最終轉變為第一第二種情況。

整個總宇宙是多維的無限空間,空間內有許多相對獨立的空間體系。一維和二維的空間體系,形成容易但不穩定,數量眾多,但壽命很短。五維六維的非常穩定,壽命很長,但形成困難,數量很少。三維四維的空間體系是最多的,數量很多,體積龐大,狀態穩定,是宇宙中的主要角色。

總宇宙中的這許多空間體系都不會是永恆存在的,壽命再長的空間體系也有消亡的一天。舊的空間體系不斷消亡,新的空間體系不斷產生,此起彼伏,沒有開始,也永無休止。宇宙不需要源動力,也不會停止運行。



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