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宇宙一直在膨胀,为啥你不会受其影响而变胖?

中科院物理所  · 公众号  · 物理  · 2017-03-29 10:41

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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


要么相对论错了,我们的地球处于宇宙中心,一切都对称地远离我们;要么相对论、 亚历山大·弗里德曼 是对的,远处的星系远离的速度之快超过我们能观察的范围。宇宙膨胀慢慢地成为描述宇宙变化的学说。


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。宇宙中的一些超星系团随着宇宙的膨胀被慢慢的拉开, 在较短的时间内,它们将不复存在,即使是离我们最近的(只有5000万光年)处女座星系,也无法通过万有引力把地球或者太阳系吸过去。即使万有引力很强,宇宙的膨胀也会将它的作用抹去。


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。


TRAPPIST-1,它的运动轨道保持不变,正是引力的约束克服了宇宙膨胀“张力”


万有引力的作用使得宇宙膨胀不能在小尺寸的范围里实现,这是很微妙的,与其说宇宙膨胀是某种“张力”的作用,不如说宇宙以一定的速度扩张。总的来说,无论是大尺度范围还是小尺度范围都具有这个扩张的“分速度”,但是整体表现出来是怎样的,还得看“合速度”。虽然两点之间有相互远离的“分速度”,但是如果这个“分速度”小于逃逸速度(两者刚要互相远离的临界速度),也就是说如果两者之间的相互作用力大于宇宙膨胀的速度,那么他们之间的距离就不会增加,此时我们也就观察不到宇宙膨胀现象。在任何时刻,宇宙膨胀的速度被抵消,因此就不会有膨胀现象,稳定的相互作用力维持了小尺寸范围内物体的稳定。







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