宇宙膨胀和时空弯曲,相互矛盾么?

首先,其实这是一个阅读理解题,而不是一个典型的科学题目。为什么这么说呢?

因为这两者描述的对象本身并不是一个东西。。宇宙膨胀,指的是空间的膨胀,也就是纯粹空间的膨胀。

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而时空弯曲呢?其实指的是四维时空,三维的空间+一维的时间。四维时空发生了弯曲。

当然,它们的区别不仅仅是描述的对象是不一样的,其次它们描述的尺度也是不一样的,前者是在10^8亿光年才体现出来,而后者则是小尺度上的。

为了理解这两个区别,我们可以来简单的了解一下:宇宙膨胀和广仪相对论。

广义相对论

广义相对论描述的是在非惯性系下的物质运动情况,这么说你可能不太懂是在说什么。但是我们如果提到引力,大家就很熟悉了。很多人都学过高中物理,学过牛顿的万有引力定律。但其实牛顿并没有讲清楚万有引力的本质到底是什么?

而广义相对论恰恰可以解释引力的本质。这里多补充一点,这并不是说,广义相对论就是用来描述引力的,它只是顺道解决了引力的问题而已。那它是如何解决的呢?

这其实和狭义相对论有点关系,爱因斯坦基于光速不变原理和相对理性原理,构建了整个狭义相对论的理论大厦,而在这个理论中,他提出了四维时空的概念,这里的四维时空指的是(三维的空间+一维时间),他认为在描述具体的事件时,空间和时间并不是相互独立的,而应该运用一个统一的四维时空来描述。

不过,狭义相对论所运用到的场景,其实都是平直的时空。

而广义相对论运用的场景则是弯曲的时空。

在广义相对论中,爱因斯坦认为引力的本质是时空的弯曲。地球之所以会绕着太阳转,正是因为太阳压弯了周围的时空,而地球只是沿着时空的“直线”(也叫做测地线)在运动。

所以,其实广义相对论的效应适用于在引力范围区间内有效,说白了这个这里的引力其实是有一定范围的,如果距离太远,就会因为引力太过薄弱而不占主导优势。因此,其实这个问题的矛盾本质上是“引力”和“空间膨胀”之间的矛盾。

那宇宙空间的膨胀又是咋回事呢?

宇宙膨胀

话说,根据目前的宇宙学模型,我们的宇宙诞生于一次大爆炸,大爆炸之后,宇宙的空间就膨胀了起来。并且这种膨胀的趋势非但没有因为引力的存在而逐渐减小并收缩。相反,在距今46亿年左右,宇宙开始加速膨胀,科学家认为存在一种真空能提供了和引力相反的斥力,促使宇宙空间在加速膨胀。

这里宇宙的膨胀指的就是空间的膨胀,而且是各个部位等比例地膨胀。就好比如果我们有一个面包,这个面包是整个,各个部分都在膨胀,而不是只是外围这一圈。

但是你发现没有?既然是整个宇宙空间都在膨胀,为什么咱们没有变胖?这不是很奇怪么?

在整个宇宙中,整体来看,暗能量是占主导的,暗能量提供的力,就是引力相反的斥力。所以,在暗能量的驱使之下,宇宙空间开始加速膨胀。

但我们要知道,宇宙其实是很空旷的,就那我们最近的邻居来说吧,距离我们有4光年以上的距离,而太阳系才多大?恒星系和恒星系之间的距离远大于它们自身的尺度,

也就是说,在小尺度内,引力是要强于暗能量提供的斥力的,但是由于暗能量布满整个宇宙空间,因此到了大尺度,累积效应也就十分明显,暗能量就会逐渐掌握主导。而暗能量真正占据主导地位是要达到10^8光年的尺度。

所以,我们来总结一下,在小尺度上,其实已知的物质和暗物质所提供的引力占了主导,引力效应更明显。而当达到10^8光年,也就是一亿光年以上的尺度时,暗能量开始占主导,空间膨胀的效应更明显。因此,两者其实并不矛盾。