一千字讓你看懂,宇宙為什麼是平的
宇宙是什麼形狀的?這是任何一位宇宙學家都孜孜不倦想要搞懂的問題,然而也是所有宇宙學家都沒能完全搞懂的問題。他們最多也只能這樣告訴你,事實上,呃,在大尺度上,我可以比較有把握地告訴你,宇宙是平的。
紙可以是平的,桌面可以是平的,你正在看的顯示屏是平的,然而,三維(或四維)的宇宙怎麼可能是平的,它是如何平的呢?
你可以拿出一把尺子,一個三角板,一隻鉛筆,在紙上畫兩條平行線。即使畫到紙的邊緣,它們也不會交叉在一起,如果你畫得足夠認真,足夠平行,即使你再畫到桌子邊緣,它們也是平行的。事實上,如果你還可以把它們畫長,延伸到屋子外面,延伸到街道上,無限延伸,一直到宇宙的盡頭,它們也是平——等等,如果宇宙不是平的,平行線還會平行嗎?
你已經抓住了問題的關鍵!其實不需要延伸到宇宙盡頭,這兩條線就不會平行了,因為地球是圓的,是一個曲面,畫在地球上的任意兩條平行線,最終都會交會在一點。就像你和你的另一半,不管在生命的旅程中,你們曾經相距多麼遙遠,都會交會在一起,手攜手,直到生命的盡頭。
地球,太陽,星系,它們被引力緊緊聚合在一起,扭曲了周圍的時空,就像地球一樣,會使任何畫在它們上面的平行線相交。但在大尺度上,宇宙依然是駭人聽聞地空曠,平均每立方米只有5個質子。所以我們假設地球的曲面並不影響我們畫平行線,我們可以把它們像光線一樣,發射到太空里去。如果宇宙是平的,它們就永遠不會交叉在一起;如果宇宙是曲面的,它們最終會相交到一點;如果宇宙是馬鞍面,它們會一直發散開去,永遠不會再見面,就像分手的戀人,各自漸行漸遠。
我們現在知道,這兩條光線永遠不會交叉在一起,因為宇宙是平的,除非遇到黑洞,那兒會成為它們的終點。那科學家們是怎麼知道宇宙在大尺度上是平坦的呢?
回到剛才說的平面、曲面和馬鞍面上,我們分別在上面畫一個三角形,如果內角和等於180度,我們就說這個面是平面;如果大於180度,我們就說它是曲面(球面);如果小於180度,那麼它就是馬鞍面。你可以從圖上看到,三角形在曲面上會鼓起一些,面積看起來會大一點;在馬鞍面上會凹一些,面積看起會小一點。以此推理到三維空間,在宇宙誕生後的38萬年,大爆炸的灰燼形成了我們今天所稱的宇宙微波背景輻射,均勻地分布在宇宙中,這個背景輻射我們已經可以精確測量了。通過威爾金森微波各向異性探測器(WMAP),科學家們發現,這個背景輻射它既不鼓,也不凹,宇宙的平坦性精確到了10%以內,所以宇宙學家才敢比較有把握地告訴你,宇宙在大尺度上是的。
注意,鑽牛角尖的來了。打過電子遊戲的人都知道,在一些遊戲里,遊戲機的屏幕是有限但無界的,也就是說畫面到了左邊緣的時候,會繼續從右邊緣回到畫面中,到了上下邊緣的地方也是如此。如果我們的宇宙是這個形狀,它還會是平的嗎?答案是肯定的,本質上遊戲機的屏幕相當於一個二維環面,也就是汽車輪胎,在它上面畫平行線,平行線依然不會相交。
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