对不起,这个问题对于专业天文学家来说可能是愚蠢的,但我不是一个。
这个问题绝不是愚蠢的。您的问题是关于宇宙学的一个普遍问题(研究宇宙的起源,如何演化以及它的命运如何)。媒体通常会可怕地屠杀这些概念,从而引起很多混乱(在所有科学信息中,他们似乎最难以准确地报告宇宙学)。您的询问绝对是一件好事。
当天文学家说早期宇宙很小时,它们的意思仅仅是“对应于我们可观测宇宙的宇宙部分很小”吗?
好吧,他们通常是指整个宇宙。在我的最后一段中,我解释了这对于可观察的宇宙意味着什么。
如果它是无限的,那么看起来它在婴儿期也必须是无限的,只是非常密集。实际上,它似乎“处于极限”,即使在“大爆炸”中也必须是无限的。
您更接近真相。当我们谈论宇宙的膨胀时,我们实际上是在说所有事物之间都在创造空间。
正如您提到的,宇宙可能是无限的。它不像一个球,而是一个平坦的网格,它的“扩展”只是意味着网格上的对象之间的距离越来越大。本质上,在对象之间创建了更多的空间。这就是扩展的意思-对象之间相互远离,因为它们之间创建了更多的空间。以下是我用来演示此内容的gif:
描述此问题的一种更有用的方法是说网格正在扩展-空间本身作为坐标系正在增长。打个比方,想象一下walking狗。突然之间,你们之间的地面开始扩大。您和您的狗将分开并继续彼此后退。
因此,我们的宇宙正在发生同样的事情。实际上,网格正在增长,并且物体正被其扫除。
好的,既然我们已经掌握了核心概念,那么我将再介绍一些术语。“宇宙的比例因子”是指与现在相比,宇宙已经扩展了多少。例如,如果在十亿年中比例因子为3,则意味着宇宙中的每个对象彼此之间的距离是现在的3倍。如果7亿年前的比例系数是0.8,那么那时一切都接近0.8。根据定义,比例因子现在为1。
因此,如果宇宙现在正在扩展,我们希望随着时间的推移,它会更小-即比例因子会更小。广义相对论预测比例因子在138亿年前为零。这意味着每个物体将是当前距离我们的零倍,也就是说,将没有空间。
如果您认为没有空间的宇宙是不可能的,那是对的。我们显然有矛盾。在GR中,您的时空不能为零。
矛盾时刻过后,我们的现代物理理论只需要几分之一秒的时间,并且我们的观察结果确实与极度密集的早期宇宙的思想相符。但是,当我们尝试在更早的时间为宇宙建模时,我们的理论就崩溃了,直到它们不再被证明是准确的为止,从而使我们无法解释最有趣的时刻。
这就是为什么“大爆炸”这一时刻是宇宙学中最大的谜团之一。诸如量子引力之类的理论已经出现,试图解释大爆炸附近的情况,但到目前为止,还没有一个足够的。
我经常在讲座中听到,在大爆炸之后,宇宙很小,比如葡萄柚之类的东西。
确实,问题源于人们说“宇宙”时的模棱两可。在这种情况下,他们指的是可观察的宇宙,它实际上是球形的。与现在的半径相比,可观测的宇宙在大爆炸时期确实确实小得多。
这是因为它的半径实际上取决于我们宇宙的比例因子*,这意味着当GR预测当前比例因子为零时,它还预测了可观测宇宙的大小为零。
显然,事实并非如此,因为如上所述,比例因子不可能为零。但是,我们可以有把握地说,可观察到的宇宙可能只是一个点的葡萄柚大小,即使不是更小(尽管“葡萄柚”似乎是比较的任意选择。实际上我找不到第一本使用该论文的论文)打个比方,所以他们最初的意思还不清楚)。
*在宇宙学中测量距离实际上有点棘手;在某些情况下,我们想谈论物体的距离或运动,而忽略宇宙的膨胀。为了节省您学习大量术语的需要,我现在在谈论可观测宇宙的大小时考虑到宇宙的扩展。可观测的宇宙也由于宇宙膨胀以外的因素而增长,即来自越来越多星系的光到达我们。