如何通俗的解釋為什麼微波背景輻射表明,宇宙還是比較平的? | 知乎問答精選

 

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如何通俗的解釋為什麼微波背景輻射表明,宇宙還是比較平的?

2019年04月24日 知乎問答精選 暫無評論 閱讀 4 ℃ 次

【凌晨曉驥的回答(53票)】:

這個問題其實不難回答。之所以我們認為宇宙是平的,來自於我們對於宇宙理論推導和觀測的。

我們知道,通過弗裡德曼方程,我們知道我們的宇宙的主要構成,來源於輻射,物質(包括重子物質和暗物質),宇宙常數Λ(也就是暗能量)和曲率(k),通常情況下,曲率項從來都是被認為是0,或者極為接近0。

如果曲率k=0,意味著我們的宇宙是平坦的,換句話說,我們看到的物體,它的張角α幾乎就等於他的尺度除以它離我們的角直徑距離

如下圖,在這樣的宇宙下,宇宙中星系看上去就嚴格服從「近大遠小"的規律。

如果曲率 k>0,意味著我們的宇宙不是平坦的,那麼宇宙就會閉合,或者說,宇宙中像任意兩個方向發射的射線,最終都會重合!可以想像球面上的任意兩條直線,一定會有兩個交點。

如下圖,在這種情況下,會發生一個非常有意思的事情,如下圖,張角α,星系的尺度L 和他們與我們距離並沒有線性關係

更嚴重的是!在k>0 比較顯著地情況下,如果再往遠處看,我們會發現,星系離我們越遠,張角α就越大,所以星系隨距離增大,看上去反而越大,這是不可能的!至少我們現在的觀測不承認這樣的事實。

如果曲率k<0, 那麼我們的宇宙就是非常開放的,如下圖,張角α在近距離對應很小的尺度,而到了遠處就對應著極為巨大的尺度。

這意味著什麼呢?這意味著如果k比較顯著地小於0,假設我們的望遠鏡能夠在r距離看到L大小的星系,那麼對於更遠處的星系,哪怕距離只要遠幾倍,他的尺度L 必須變大幾十上百倍才能被我們看到。所以,假設遠處的星系和我們的星系一樣大小,他們都會變得太小而無法被我們看到。

而事實上,哈勃望遠鏡通過長時間曝光,看到了最遠300億光年(宇宙固有距離)的星系,所以k 也是不會顯著地小於0的。

綜上,可以看到,即使k不為0,它也幾乎是非常接近0的數。

我們對於微波背景的觀測也是類似的,只不過微波背景輻射是我們光學波段看到的最遠的宇宙,在這個時間段,宇宙比現在小1100倍,溫度高1100倍。但是在這個時間段,宇宙已經有了最初的原初差異了。在這個波段我們最顯著的測量就是對應於1°大小的doppler峰。當我們假設k=0,也就是平直宇宙,理論和觀測值達到完美的符合。下圖中紅線是理論預測值,而黑點是觀測值。頂峰對應的角度大約是1°

而對於k>0的宇宙,這個角會變大,往左偏移,對於k<0的宇宙,相應的角會往右偏移。顯然,這些都是不符合微波背景輻射的觀測的。

當然,對於其他的觀測, 比如對於星系的觀測(SDSS),對大尺度結構的研究,宇宙重子聲波震盪的觀測,都能夠對k的值進行相當好的限定,到目前為止,普遍認為|k|的值不大於0.01, 如博洋同學引用所述,基本上,可以認為宇宙的k近似為0,

或者,可以說,宇宙基本上就是平坦的,是經典的歐幾里得宇宙~

Links:

arxiv.org/pdf/gr-qc/070

arxiv.org/pdf/gr-qc/070

Cosmic Sound: Curvature and the cosmic background radiation

Measuring Space Curvature

【劉博洋的回答(0票)】:

先貼一個我以前的回答「宇宙無限大」這個說法是學界的普遍共識嗎?如果是,理由是什麼? - 劉博洋的回答

我承認我那篇答文裡沒解釋清楚。先占坑,不一定填。

【知乎用戶的回答(0票)】:

宇宙是平的是指cosmological constant = 0,只有這樣愛因斯坦場方程才允許平坦時空的解。

如果它不等於零,那麼時空的解必須是完全的。

關於CMB的各向同性,有個inflation模型可以很好的解釋。

在經典的時空膨脹expansion(弗裡德曼宇宙)裡,cosmological constant=0.

在inflation裡面(很短的時間),膨脹是由於短時間內consmological constant不為零。

【俞景一的回答(1票)】:

應該是說宇宙是均勻的比較貼切。

百度百科:

微波背景輻射的另一特徵是具有極高度的各向同性。這有兩方面的含義:首先是小尺度上的各向同性。在小到幾十弧分的範圍內,輻射強度的起伏小於0.2-0.3%;其次是大尺度上的各向同性。沿天球各個不同方向,輻射強度的漲落小於0.3%。各向同性說明,在各個不同方向上,在各個相距非常遙遠的天區之間,應當存在過相互的聯繫。

換句通俗的話說,就是宇宙大爆炸炸得非常「均勻」

【夏目景的回答(2票)】:

謝邀,知乎首答,班門弄斧一下吧。宇宙是平坦的,指的是在整個宇宙,光沿直線傳播。如果兩束光平行射出,越來越近,則宇宙是球體的;越來越遠則宇宙是馬鞍形的;平行射出,宇宙是平坦的。天文學家經過對宇宙背景輻射的實驗研究發現:在大尺度上,宇宙最初發出的光線並沒有發生彎曲現象,即宇宙是平坦的,且將一直膨脹下去。希望對你有幫助

【桃夭之森的回答(1票)】:

謝邀。本人工科背景,偽民科,如有問題歡迎一起討論。

首先愛的觀點,有物質存在的空間不是平坦的歐幾里德空間就是彎曲的黎曼空間。空間彎曲程度取決於物質的質量及其分佈。換言之,空間曲率表現為引力場的強度。

另一方面,宇宙微波背景輻射是大爆炸理論的有力論據。大爆炸模型認為宇宙是扁平的。當然這是在大尺度來說的,用前一段的觀點可以這樣預測,平坦的宇宙中平行光線會保持平行。威爾金森背景輻射探測器證明,宇宙微波背景輻射具有各向同性,各個方向上的輻射微小差異表明宇宙扁平度非常高。到這裡就有了題主的問題這種說法。

但是宇宙大爆炸理論只是眾多宇宙形成論的一種,只是他比較符合目前已知的各種經驗而被廣泛接受。就前沿來說最近比較火的超球體宇宙觀。這個解釋可以從科普書裡爛大街的氣球模型來理解,在一個非常大大到存在視界的三維球體上,氣球表面的空間曲率是不是也能小到任取一點可以看到各向同性的背景微波輻射牆並認為他們所處的世界是平坦的呢。那麼假設宇宙是一個超球體的某個投影,我們所見的也許只能證明我們所想證的。

【吳晛的回答(1票)】:

謝邀~這麼高深的問題我不會答啊QAQ,不過我倒是可以分享一下我對這個問題的看法。如果說的不對也請各位大神批評指正~

我們平時理解的「平」這個概念和宇宙的「平」是不一樣的,在便於理解的前提下我更贊成把宇宙的「平」稱作「均勻」的。

舉個例子,假設兩道平行光間距30cm,在理想的均勻宇宙中,無論跑多遠,無論在平行光的哪個位置,他們的間距始終不變。這時的曲率是零,宇宙很「平」。

但是當曲率k小於零時,平行光間距在不同位置就是不一樣的。在我們這個點,平行光間距是30cm,但是在一定距離的遠處可能這道平行光的間距就會變大(這個時候能否稱之為平行光我就沒法解釋了……),甚至中間可以塞進一個姚明。再遠處甚至能塞進一頭哥斯拉,再再遠處說不定能塞進一顆地球。這樣宇宙就是發散的,無限遠處會變得無限大,這種情況下宇宙就是無限的,而且越遠越大。不過反正我是無法想像這是什麼樣,雖然我就叫吳晛。

而當曲率k大於零時,平行光間距在不同位置也會不一樣,但情況相反。還是那道間距30cm的平行光,姚明可以從中鑽過去,但是說不定走著走著姚明就只能伸手臂進去了,再走著走著就只能用手摳了,再往後?平行光無限接近了,姚明連頭髮絲都塞不進去了。這種情況下宇宙是有限的,但是也不能說有邊界。這兩條平行光雖說無限接近,但無法交於一點,也到不了宇宙的頭,或者說無限接近宇宙的盡頭。你站在當前位置無論往哪射這對平行光,最終都會無限接近於一點,這個時候宇宙就是閉合的,他有限,但是你觸碰不到邊界。就像0.999……那樣,你雖然知道它表示1,但你永遠不知道小數點後面有幾位。

我們光說姚明瞭,那麼光怎麼想?在曲率k小於零時,記住這時宇宙是發散的。這道平行光在我們的起點看到姚明在它中間探出了頭,接著它走著走著,姚明變小了,站在了它中間。它接著走,一個小姚明hold不住了,於是幾十個姚明疊羅漢疊了起來勉強夠長,再往前走,光看不見姚明瞭,因為他們太小了,但是光知道他們肯定成千上萬手拉著腳硬撐著達到了長度。光很納悶,我的視角來看我間距沒變啊可是姚明怎麼變小了?雖然我和光都不知道為什麼,但是一定是曲率的錯。(曲率:怪我咯)

而當曲率k大於零時情況剛好相反,姚明越來越大了。光繼續走,到了接近終點的位置,姚明已經大得無法形容了。這時你從地球上看,如果你視力足夠好,那麼在整片繁星的背後,所有天體的背景就是姚明,你看到的姚明已經變形得能平鋪滿整個球面(事實上肯定會有一點小縫隙)。光的視角來看,姚明只會越來越大,但是姚明最大能多大呢?沒有盡頭,光再走幾輩子也沒有盡頭,儘管姚明還是越來越大。(曲率:又怪我咯)

總之,宇宙是「平」的這個說法就是一種抽像化的說法。就像平地上會有起伏,有山峰有峽谷,那麼宇宙中也會有起伏,而這種起伏表現在宇宙中就是所謂「均勻」問題。我們就像那道光,在不同的地方能看到不同的姚明(什麼鬼),而這大姚明和小姚明,也就相對於山頂的姚明和峽谷底的姚明吧。

好了大概我理解的就說完了……參考了前3樓的回復,漲了不少姿勢,試著做出了自己的理解。今天很榮幸的受寵若驚的接到了邀請,感激涕零,於是盡自己所能完成了自己的知乎首答,也算是小小的倔強吧。在下文科生,發動了文科生天賦「就算不會也能答滿」,然準確率和嚴謹性完全不能看……希望路過大神……不,敬請各位路過的大神不吝賜教並批評指正,大家共同進步為好~

【橢圓的回答(0票)】:

瀉藥。。先占坑有空再答

【姚大官人的回答(0票)】:

瀉藥,我不會,要翻資料,等我找到了回來回答。抱歉 (??????????????)

【姜昂的回答(0票)】:

宇宙背景輻射自發現之初 就飽受爭議 ,而人類歷史長河中 混沌的理念深入其中 。從數據上來看 與其說是宇宙是平的 不如說 宇宙是均勻的 常態的 。而突破這個遐想來看,我個人感覺 應當有另一種未知或者說理論上的參數 一直處於變化當中,即熵的理論。 所以通俗的解釋 ,就是宇宙的背景輻射因為維度問題 在我們看來始終是均勻的。

【張浩的回答(0票)】:

一塊石頭 到達湖面 首先接觸的是湖面 光到達的會反射

【LionLei的回答(0票)】:

謝邀,但是我不專業,不好作答。

【胭之小茉的回答(0票)】:

宇宙是平的,只不過是為了給有基礎思維理解的人類一個目前可以接受的解釋嘛。

大爆炸本來就是個假說。

基於大爆炸為真,從而產生的大尺度天文物理學悖論,都逼瘋了無數智者。

光速恆定本身,就讓大爆炸假說陷入了一直要打補丁的困境呢。

請注意:光速在真空中恆定為……

不要對我說「在某個特定的空間內,可以排除一切物質和能量干擾,製造或者設計出絕對真空,從而讓光可以用真空光速自由自在飛翔」,從歸納法的邏輯而言,這是不存在的呀。

簡而言之,有物質和能量存在的宇宙,光速永遠到達不了真空絕對光速。

宇宙之初,也是宇宙的盡頭。

【翁建彬的回答(0票)】:

宇宙是平的意思是說宇宙的空間曲率,我們說平的是指宇宙近似於一個歐式空間(比如說兩條平行直線永遠不會相交,這些又一個大領域.....怎麼通俗說明真是能力有限啊),而不是黎氏。從微波輻射背景來看就是輻射十分的平均,各向同性。

【周Cl的回答(0票)】:

前兩天看了一本紀錄片《宇宙究竟有多大》,BBC的,當中有一部分就是講這個的,還蠻通俗易懂的。

來自網易公開課:

open.163.com/movie/2014

大概從38:46開始:)

【卡米拉的回答(0票)】:

光速快於聲速,關於這個問題吧,其實就好比是人的眼睛,你能看到自己的眼睛是圓的嗎?那當然可以,照個鏡子,同理可得,取決於你看的角度。

【邱豪傑的回答(0票)】:

謝邀。嗯?宇宙怎麼是平的呢。微波背景輻射只是為平行宇宙提供了一條證據。

標籤:-物理學 -宇宙學


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