宇宙到底是一个什么样的形状呢?
「大爆炸模型」已经彻底战胜了「稳恒态模型」可以这样说,我们不知道宇宙是不是就像大爆炸模型所描述的那样,但是到目前为止,我们没有发现比这个模型更好的解释,爱因斯坦的静态宇宙是这样的,兹威的光疲劳学说是这样的,霍伊尔的稳恒态宇宙论,以及完全宇宙学原理更是这样,这个关于宇宙创生的理论,我们可以称之为——「标准大爆炸模型」。
「标准大爆炸模型」面临三个难题
标准大爆炸模型从上个世纪60年代开始起,逐渐成为了宇宙学研究的范式,但是关于大爆炸的理论故事还远远没有结束,标准的大爆炸模型也并非无懈可击,越来越多的人开始认识到这里面有些问题错误的离谱,完全无法解释,「标准大爆炸模型」主要面临以下三个难题:
第1个难题——奇点问题、
最近最火的祝福图片宇宙诞生的时刻,它的能量密度和温度都趋于无穷大,时间和空间都被集中于一个无穷小的点,许多物理学家无法解释,既无从大又无穷小的概念,这个问题可以看作是广义相对论的固有问题,许多人认为广义相对论只是一个经典理论,它不适用于解释宇宙大爆炸时刻的物
理现象,就像牛顿定律不适合描述速度接近光速的物体一样,在这样小的尺度上,科学家认为应当用量子力学的方法来进行研究,比如将引力场量子化,但是人们距离得到这个问题的满意答案还相距甚远。
第2个困难——视界问题、
女人右眼皮跳的寓意物质在宇宙中的分布非常均匀,当宇宙还是一个30万岁的婴儿时期,它所发出的微波背景
辐射几乎是各向同性的,所谓的微小起伏只有10的负5次方。现代天文观测也表明,在足够大的尺度上,宇宙中的物质分布的特别均匀,以至于到处看起来都几乎一模一样,这种均匀就会引起一个非常重要的问题,那就是 「视界问题」。
如果有一场两个小时的考试,考场中有两个学生的答案一模一样,连错的题目都一样,那几乎可以肯定的是,这两个学生在考试的时候互相对照答案,他们可能通过传纸条的形式进行了交流,这件事情很好理解,因为两个学生在一个考场,监考老师管的不严,他们就会有小动作,但是如果两个学生一个在地球上考试,另一个在三体人的老家「比邻星b」上考试,在考试时间只有两个小时的情况下,两个学生的答案还是一模一样,这就有些匪夷所思了。
「比邻星b」和地球相距4.3光年,即使最快的速度光速到达那里也需要4年多的时间,两个学生是如何传纸条的呢?这个问题可以推广到整个宇宙,宇宙在大尺度上是均匀的,说明这些地方进行了信息的交流,就像两个学生传纸条一样,但是宇宙又是如此之大,即使是最快的光也不可能跑得完,那么相隔数百亿光年的两个地方是怎样完成信息交流的呢?换句话说,宇宙如何进行超光速的信息交流,这就是所谓的「视界问题」。
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第3个问题——平坦性问题、
我们的宇宙看起来几乎是平坦的,在最大距离尺度上,时空仅有很小的曲率或者没有曲率。
首先,什么是宇宙平坦?宇宙是什么形状的?这是任何一位宇宙学家都孜孜不倦想要搞懂的问题,然而也是所有宇宙学家都没有完全搞得懂的问题,他们最多也只能这样告诉你——在大尺度上宇宙是平的,用一句调侃的话来比喻就是,宇宙原来就是一张A4纸。
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空间是三维的,为了更好的解释宇宙形状的概念,咱们先去掉一个维度,让宇宙变成一个
二维的面,最典型的一个二维形状就是一张平面,比如一张纸,我们在平面上画一个三角形,它的内角和一定是180度。我们在平面上画两条平行线,它们永远都不会相交,也永远不会互相远离,我们称这样的曲率为——「平坦」。
当然平坦不是曲率的唯一一种可能,试想一下:一个球体的表面,在球面上随便一个点,它在两个垂直的方向弯曲是一致的,这是正曲率。如果在球上画一个三角形,那么它的内角和和平面上就完全不一样了,它的内角和不是一个固定的值并且大于180度。
可以试想一下,现在我们在地球的地面上画三个点,一个点是北极,另外两个点分别是:赤道与本初子午线以及西经90度经线的交点,这样的三个点连接以后所形成的三角形,每一个角都是直角,三角形的内角和是270度。此外如果我们在球面上画两条平行线,这两条平行线最终会相交于一点,就像所有的经线最终都会相交于南北两极一样,这种表面叫做——「正曲率」。
马鞍形则是另一种不平坦的二维表面,它在任何一个方向上向下弯曲,而在与之垂直的方向上向上弯曲,这样的表面称为——「负曲率」。
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