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宇宙在往哪里膨胀?

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宇宙在往哪里膨胀?

解答专家 亚历山大·卡什林斯基(Alexander Kashlinsky)

美国国家航空航天局戈达德航天中心天体物理学家

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世纪初,阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)创立了广义相对论,用来描述宇宙发展演变的过程。在这一理论体系中,空间与时间融合成连续的统一体,而宇宙则可被描述为一个四维时空网格。从这一观点出发,宇宙膨胀并非是说宇宙在扩展新的版图,而是指时空网格本身在膨胀。

在相对论问世之前,牛顿物理学(认为天体遵循着牛顿定律运行的物理观点)认为空间和时间都是绝对的,在牛顿运动方程里,时间仅仅是一个参数而已。同时,引力被视为具有质量的物体之间的吸引力,而为什么会产生引力却是一个谜。

虽然在许多实际情况中,广义相对论的运动方程都能被简化为牛顿运动方程,但两者的物理概念却是截然不同的。在广义相对论中,物体借助自身引力赋予了时空网格一些独特的性质。引力使时空连续统一体弯曲,因此广义相对论将引力作用视为时空弯曲的表现形式。在引力的作用下,物体会从不太弯曲的时空“掉进”更为弯曲的时空。

根据爱因斯坦的广义相对论方程,含有物质的时空无法保持静止状态,必须不断膨胀或收缩;星系并非在真正意义上相互远离,而是因为它们身处某一固定的、不断膨胀的时空网格中,才给人相互远离的假象。打个比方,在一个气球表面画上一些小黑点,然后将气球吹胀。小黑点(代表星系)之间的距离将会变大,如果你居住在其中一个小黑点上,你就会认为其他的小黑点正在离你远去。相对于气球表面上的两个坐标(纬度和经度)而言,小黑点仍处在原来的位置上,并未移动,实际上是气球在不断膨胀。

这里所提出的问题,四维空间的广义相对论理论无法回答,因为它意味着时空之外还另有一个坐标。由于时空与物质紧密相连,因此“气球”表面之外是不存在的——这就是我们能了解的所有时空。

◎译者:詹浩

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