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从地球的各个方向看宇宙，为什么到处都一样？
宇宙,区域,星系从地球的各个方向看宇宙，为什么到处都一样？
发布时间：2020-12-06加入收藏来源：互联网点击：
从地球的各个方向看宇宙，为什么到处都一样？
回答于 2019-09-11 08:43:50
回答于 2019-09-11 08:43:50
从地球的各个方向看宇宙，为什么到处都一样？这其实是个很神奇的问题，宇宙在各个方向的大尺度上表现得一样，肯定不符合常理，下面就分析下这个问题。
首先要了解大爆炸理论怎么来的
如果我们用迄今为止最强大的望远镜从各个方向观测宇宙，在我们所看到的每一个地方，都有成千上万个位于数百亿光年之外的星系。在最大的尺度上，宇宙空间的样子基本上是相同的，各处都有着同样的密度，温度，恒星和星系类型以及相同的元素丰度等等。唯一不同的是，如果我们看得越远，看到的物体就越年轻，并且远离我们的速度也越快！
我们今天宇宙的模样和早期宇宙如何膨胀和演化有关。在广义相对论的背景下，我们找到了有关宇宙起源的三大证据：
哈勃望远镜观测到的宇宙膨胀，或星系的明显红移与星系离我们的距离有直接的关系
宇宙微波背景(CMB)的存在和性质，或一个几乎完全均匀的黑体辐射海洋，比绝对零度高了不到3K氢、氘、氦（氦-3和氦-4）和锂等轻元素在宇宙形成初期的丰富程度根据这些证据，我们有把握地得出了这样的结论：宇宙是从一个更热、密度更大的状态演化和膨胀而来的，宇宙以目前这种物质和辐射的形式存在了大约138亿年。时间很长，但不是无限的。我们将这种范式通俗地称为热大爆炸。
怎样理解宇宙在各个方向上均匀平坦？以及这为何违背常理
这里就有个问题。在过去的138亿年里，宇宙按照广义相对论的规则扩张，这意味着空间扩张的速度由一些初始条件决定，也取决于整个宇宙的能量含量（正常物质、暗物质、辐射、中微子、暗能量、空间曲率等）。这些都没有任何问题，但问题是宇宙在我们所看到的每一个地方都是同样均匀和平坦！
不管我们选择朝哪边看，宇宙一边星系的密度和聚集特性与另一边可观测到的情况几乎是相同的。这其实就有点不正常，为啥这么说呢？
考虑到自从大爆炸以来，没有任何信息的传播速度能够超过真空中的光速。我们可以在每个方向上“看到”460亿光年的地方，因为在过去的138亿年里，这是光在膨胀的宇宙中能够传播的距离。如果我们从一个方向观察超过230亿光年，从另一个方向观察超过230亿光年，那么这两个区域以外的任何物体都没有相关性。是不是还有些困惑？让我们打个比方来更好地理解我想说啥。
如果我们在锅里烧水，从底部开始加热，水在锅里的每一个地方会同时沸腾，在水的顶部和底部之间没有明显的温度差。这是我们生活中的事实。但这是为什么呢?
这是因为水分子在移动，相互碰撞，彼此之间在交换能量。我们虽然从锅底开始加热水，但锅底的水可以与锅里的水相互作用，交换信息/能量，而且可以在很小的时间范围内完成。所以我们说水的受热几乎是均匀的。但也有一些特殊的情况。
看看上面这张照片，熔岩从火山口流下，进入海洋。当超过1000°C的熔岩撞击海水时，由于巨大的温差，接触熔岩的水会立刻沸腾。但是海洋十分广阔，并且传热速度有限；因此我们可以在海水不远的地方就能找到不受岩浆影响的区域，那里的水依据是冷冰冰的。因为这些区域之间是因果断开的，它们之间彼此不交换信息或共享属性。
如果没有因果联系的区域，也就是说那些没有彼此接触或彼此交换信息的区域，却有着相同的温度，现在想象是不是十分让人不解。但是，这正是我们的宇宙！在各个方向上因果断开的区域，居然有着相同的性质！
考虑到宇宙微波背景辐射（CMB）的光子是在宇宙刚刚38万年的时候发射出来的，在那个时候，即使是在快速膨胀的宇宙中，光也只能在任何方向上传播100万光年。如果我们用半径为100万光年的圆圈来填充微波天空，那将需要超过一百亿个独立的区域来填充我们所能看到的区域！然而，这些因果分离的区域具有相同的温度、光谱和密度，精确度约为99.99%。这个问题（为什么从来机会互相交换信息的区域恰好有彼此相同的属性？）被称为视界问题。
但目前有一种方法可以解决这个问题；自大爆炸以来，这些区域确实没有时间相互交换信息，但如果大爆炸开始时所有的区域就已经具有了相同的属性呢？
我们如何解决这些问题（大爆炸理论遗留问题）
简而言之，这就是暴涨理论的含义：大爆炸之前发生的事情，暴涨理论不仅诞生了大爆炸，还创造了我们宇宙的初始条件！宇宙暴涨发生在宇宙的各个微小区域，每个区域甚至是一个无穷小的区域，并以指数形式开始膨胀，这个极小的区域延伸到比我们目前可观测到的宇宙还要大的区域，并导致了如下的事情发生：
在暴涨之前存在于微小空间区域的任何物质、粒子、能量或拓扑缺陷，在暴涨后其密度都将大大降低（解决了磁单极子问题）
无论暴涨之前的空间曲率是怎样的，暴涨都会将空间拉平，以至于当我们在暴涨之后观察空间时，宇宙看起来已经与平坦没有什么区别（解决了平坦性问题），在暴涨之前，无论宇宙中不同区域的温度和密度有什么变化或者不同，暴涨只在一个微小的区域产生了我们整个可观测宇宙，这就解释了为什么我们看到的宇宙似乎都具有相同的温度和密度特性（解决了视界问题）在暴涨期间发生的量子涨落，导致了我们今天可观测宇宙中温度和密度的涨落以及微小的缺陷。第三个问题是如何解决视界问题：宇宙暴涨发生在一个曾经有因果联系的极小区域，将其拉伸到我们目前所处的宇宙，以至于我们看到的所有东西，尽管它们自大爆炸以来就没有发生过信息交流，但在大爆炸之前曾经发生过信息交换。这就是暴涨理论解决这些宇宙难题的方法，宇宙的视界问题和黑洞视界其实是一样的，视界里面发生了什么我们根本无法观测到，因此暴涨理论真的是一个纯理论，并没有观测数据的支持，但它确实优雅的、合理的解决了这些难题。你可以认为它是正确的，也可以认为它不正确。但是再没有任何更好的解释之前，还是暂且相信它吧，毕竟暴涨理论可以给你一个不错的答案。这就是为什么宇宙在任何地方、任何方向都是一样的。
回答于 2019-09-11 08:43:50
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