基本介紹
- 中文名：平坦宇宙
- 外文名：Flat universe
- 適用範圍：物理學
- 結構：時間和空間的結構
宇宙結構,科學研究,相關結論,基本觀點,演化階段,膨脹理論,相關論文,論文宣布,平坦結構,數據研究,背景輻射,未來研究,
宇宙結構
宇宙的結構實際上是時間和空間的結構，普通人很難想像。不過科學家提出一個稀量
宇宙結構的標準：如果兩束平等光線越來越近，那么宇宙結構是球形的；如果兩速平行光線越來越遠，那么宇宙結構是馬鞍型的；如果兩束平行光線永遠平行下去，那么宇宙結構則是平坦的。平坦宇宙的結構可以用歐幾里德幾何解釋。
宇宙結構是平坦的這一結構是參加“銀河系外毫米波輻射和地球物理氣球觀測項目”的多國科學家得出的。這一項目的目的是研究宇宙背景輻射的詳細情況。科學家在1998年底將射電天文望遠鏡放置在氦氣球上升到距地面約40公里的高空，在那裡對特定宇宙區域進行了11天的觀測，獲得了迄今關於宇宙早期輻射最詳實的數據。
科學研究
經過研究，科學家發現，在大尺度上，宇宙最初發出的光線並沒有發生彎曲現象，也就是說當初的兩束平行光線一直保持平行狀態，這說明宇宙結構是平坦的，也就是說宇宙總質量恰好等於臨界質量，宇宙將像現在這樣一直膨脹下去。
早在1965年，科學家就已探測到宇宙空間中均勻分布著的宇宙背景輻射，其溫度為零下270攝氏度。大爆炸學說認為，這種輻射是宇宙大爆炸後的“餘燼”中，科學家可以推測大爆炸初期的情景。
1994年，美國宇宙背景控測衛星發現，宇宙背景輻射中存在著微小溫度波動，如同在“餘燼”中閃動著的微弱“火光”，這表明那時宇宙內已存在密度非常小的物質雲團。正是這些雲團。逐漸收縮形成了後來的星系。“銀河系外毫米波輻射和地球物理氣球觀測項目”是在該衛星發現的基礎上進行觀測的。
相關結論
我們的宇宙像一塊平板那樣平坦，這一結論是以阿蘭·伯努瓦博士為首的國際研究小組作出的，該研究小組在瑞典基律納市科學基地進行了一項奇特的實驗，科學家在宇宙研究委員會組織的會議上通報了自己的發現。
科學家選擇了2月2日無月之夜進行研究，法國宇航局專家研製的一個巨型氣球使Archeops望遠鏡上升到33千米的高空，望遠鏡可使科學家在12小時內跟蹤觀察殘餘的輻射，殘餘輻射是150億年前發生宇宙大爆炸理論的主要證據之一，這種殘餘輻射曾在1965年被發現。
2007年歐洲宇航局準備發射一顆Planck-Surveyor衛星，該衛星將進行更加仔細的研究，為了完成這一使命，已利用高空氣球將幾台望遠鏡升上高空，這些望遠鏡能更準確地說明這些數據。Archeops望遠鏡是最後一台，科學家利用它證實了驚人的假設：宇宙是平坦的。當天體物理學家說到宇宙的幾何形狀時，稱宇宙是平坦的，他們指的是，在整個宇宙範圍內光是沿直線傳播的。換言之，光線不會在物質-能量物體作用下發生彎曲。宇宙是由物質-能量物體組成的，而根據愛因斯坦理論，光線在太陽附近會發生彎曲。
宇宙大爆炸理論
一、宇宙的空間是無限廣大、無邊無際的物質的延伸。它從橫的方面描述了客觀存在的物體的相互位置。宇宙的時間同樣是無限的和無始無終的，它既無開端，又無終結。
牛頓把空間作為一個物理實體，認為它是靜止的，不可移動的，並且往往把空間和時間認為是物件和事件的“容器”，而不依賴於物質的密度。適用牛頓絕對空間的幾何，就是通常的歐幾里德幾何，但絕對空間和絕對時間的觀念並不符合實際。這樣的時空觀影響了人們對宇宙的進一步認識，實際上，時空連續區在其物理性質上是獨立的，具有物理效應。空間的幾何性質和時間的流逝取決於一定空間區域內的物質密度。牛頓時代的時空觀更無法解釋當今宇宙中存在的一些基本現象，如：微波背景輻射、星雲紅移現象以及宇宙中氘的成因等。
二、1927年，比利時物理學家喬治·勒梅特提出宇宙正在由一個“原始的原子”，不斷膨脹的理論，即現在的大爆炸理論和膨脹理論。現已被越來越多的科學家接受。
據說，約150億年前，在宇宙的原始奇點，即整個宇宙空間為零容積的狀況下，發生了大爆炸，這個奇點應該是一個高度有秩序的奇點，而被有的科學家認為是時間的起點。這個大爆炸是一次核反應。
基本觀點
大爆炸學說的基本觀點是：宇宙早期處於高溫高密狀態，隨著宇宙的膨脹，溫度下降。在大爆炸時宇宙的大小被認為是零，因此，是無限地熱。大爆炸之後的10-43秒，稱為普朗克時間，在普朗克時間的那一點上，宇宙已經變成了一個比原子還要小的熱點，且宇宙的密度極大。在普朗克時間之前，所有的物理學定律失去了作用。而在普朗克時間（10 -43秒）之後，物理學定律才有作用。大爆炸最初一刻，整個宇宙是形成一個質子的萬億分之一時間時，宇宙可能處於同質狀態。有的膨脹模型指出，宇宙最初瞬間的膨脹速率呈指數增長，而在某些膨脹模型中。該瞬間可在宇宙開始後持續10-34～10-30秒。1999年，天文學家獲得新證據，表明宇宙是平坦的，為大爆炸理論提供了新的佐證。大爆炸之後，宇宙中基本粒子很快形成，基本粒子又逐漸合成為元素。後來逐漸演變為氣狀物質，宇宙進一步膨脹，使輻射溫度不斷下降，氣狀物質便開始凝聚成星系或星雲、星系團，最後形成恆星，產生我們現在所見的宇宙。大爆炸之後，隨著宇宙不斷地膨脹，同時物質密度不斷從密向稀演化，溫度也不斷下降。這就是大爆炸宇宙學派的基本主要觀點。這種觀點認為宇宙演化大致分幾個階段。
演化階段
宇宙極早期階段
（一）宇宙極早期階段，又叫基本粒子形成階段。
在大爆炸後第一秒內，宇宙便開始形成基本粒子，該階段主要是強子和粒子的生成和湮滅，主要經歷以下過程：
首先，從宇宙時的零秒到10-43秒，這是普朗克時間階段，所有物理學定律不適用。從10-43秒到10-36秒，這時宇宙的溫度極高，物質密度極高，物質的存在形式一般說不清楚，可能處於同質狀態。在10-34～10-30秒，有的膨脹模型指出呈指數增長速率膨脹。而暴漲宇宙理論認為：若1滴答=10-34秒，暴漲可能延續幾百個滴答，然後就結束了。即經10-32秒之後，決定宇宙基本結構和物理成份的過程，便已告完成了。宇宙躍變結束時，宇宙約有壘球那么大。10-14秒之後，宇宙半徑增長到約3英尺，溫度冷卻到1000億度，此時，原子的構成成份，夸克和電子形成了。
隨著宇宙膨脹,溫度繼續下降。強子逐漸生成,在宇宙時10-6秒時，原子本身形成了，這時夸克聚集成質子和中子，質子和中子聚集成原子核。而原子核和電子形成了原子。最終第一個元素氦，以大大降低的速度，穿過我們今天仍能探測到的高度，其背景輻射，飛遍了整個宇宙。
這時，宇宙中最活躍的是進行強相互作用的基本粒子──強子，它包括介子和重子（如質子、中子、超子等）。在大爆炸後10-2秒時，宇宙中的溫度大約為1000億開，物質密度下降到1011克/厘米3。這時是輕子起主導作用，宇宙中物質分成以電子、夸克、μ介子、τ子為主，所以是輕子為主導作用階段。它的主要特徵是輕子的分解和正、反粒子的湮滅。由於在這個過程中，輕子的分解和正、反粒子的湮滅是不斷進行的，因而產生了大量的光子和中微子，以至當溫度降到100億度時，相對於實物來講，輻射（光子）占優勢。
元素形成階段
（二）元素形成階段，又叫輻射階段。
大爆炸1秒後，宇宙溫度降到大約100億度，這時宇宙主要含有光子、電子、中微子及其反粒子，還有一些質子和中子。從大爆炸以後的第1秒鐘到3分鐘，宇宙進入元素形成階段。在爆炸發生後一秒時，宇宙中的物質密度降到107克/厘米3，這時宇宙不僅整體上膨脹占優勢，而且，各處都處於排斥（輻射）為主的階段，在該階段後期，實物（如質子、中子、電子等實物粒子）已開始發生很大變化，電子/反電子對在碰撞中的產生率就落到它們的湮滅率之下。這時，多數電子和反電子彼此湮滅，產生更多的光子，只留下少數電子。中微子和反中微子卻不彼此湮滅，因為這種粒子彼此之間，以及和其它粒子之間的相互作用很弱，因此，它們今天仍然到處都有，但因現在的中微子能量太低，無法直接觀測。中微子不是無質量的，而有一個小質量，能間接地探測。中微子可能是一種暗物質，具有充分的引力，以停止宇宙膨脹，並使之再次坍縮。大爆炸以後約3分鐘，溫度下降到約10億度，這時質子和中子已不再有足夠的能量能夠逃脫強核力的吸引，即中子開始失去了自由存在的條件，開始與質子合成，形成重氫（氘）原子核，氘核再和更多的質子和中子結合成氦核，氦核有2個質子和2箇中子。以及少量的兩個更重元素：鋰和鈹。於是就形成了幾種不同的化學元素。因為原子核是由核子（質子和中子）合成的，所以，該階段又叫核合成（即元素形成）階段。當溫度降到100萬℃，早期形成化學元素過程就結束了。核合成結束時，氦的含量按質量計算約占25－30%，氘占1%，其餘大部分是氫，剩餘的中子衰變為質子，質子是氫的原子核。由於氦十分穩定，所以這些氦能夠一直保留到今天。大爆炸以後的幾個小時，氦及其它元素的產生即已中止。
計算表明，氦核的活動延續了大約3分鐘，並予言宇宙中元素應以特定的比例存在，其中1/4為氦，它用完了所有可利用的中子，餘下的核子（沒有聚合的質子）自然形成了氫原子核，氫約占3/4。這與天文測量結果相符。所有重元素（鋰、碳）占不到1%，這些重元素在晚些時候形成。
另外，在宇宙膨脹最初幾分鐘內所釋放的巨大熱量，應當導致某些微量同位素的產生。如：氘又叫重氫，它比氫多一個中子。氫、鋰也相繼形成，而氘是不能被恆星製造並保留下來的，唯一可行的解釋是所有氘都是原始的，它是在在大爆炸中產生的。從而是大爆炸理論的一個佐論。此後，第二階段大約經歷了數千年，該階段宇宙間的物質主要是質子、電子、光子和一些比較輕的原子核，光輻射依然很強，也依然沒有星體存在。
實物階段
（三）實物階段
大爆炸後約1萬年，隨著宇宙的膨脹，溫度下降到約10萬開，實物密度大於輻射（光子）密度，輻射退居到次要位置，輻射減退後，宇宙間物質主要是氣狀物質，由於這種物質不再受輻射影響，當發生某種非均勻擾動時，有些氣體物質在引力作用凝聚成氣體雲，氣體雲再進一步收縮就產生了各種各樣的星系，成為我們今天看到的宇宙，在無數恆星演化中產生太陽和太陽系，並繼續演化。
宇宙在3萬年時，宇宙溫度約1萬度。
宇宙產生30萬年時，當溫度降至約4000開時，進入第三階段的實質過程。這時，電子和原子核已不再有夠多的能量，以克服它們之間的電磁吸引力時，它們就要開始結合成為原子。並且，物質終於與輻射相分離，宇宙才從不透明狀態變成透明狀態，輻射熱因此而散發到各個方向，宇宙沐浴在一種熱輻射中，這是“黑體”輻射。並以今天的宇宙微波背景的方式到達我們這裡。30萬年以來，輻射幾乎一直在平穩地傳播著。
宇宙輻射物──典型的中子主要直線旅行在氣態當中，宇宙學家古思認為，大爆炸之後，宇宙非常熱，以至充滿了等離子，沒有中性原子了，原子都分裂了。因此，電子離開原子核，自由地到處移動，當物質處在等離子狀態時，它對輻射物來說，是非常不清晰的，這種自由電荷粒子與形成光的光子非常強烈地相互作用。這樣，這些光子就不斷地被軀散和吸收，它們從來沒有真正地到達任何地方。宇宙繼續膨脹和冷卻，在那些物質密度比平均密度稍大的一些區域，膨脹被附加的引力所阻滯，該阻滯使某些區域停止膨脹。並重新坍縮，逐漸形成旋轉星系和橢圓星系，並逐漸進入穩定狀態。
約100萬年後，形成許多原子，後來又被“煮”成星體中的重元素，最終產生提供生命誕生的物質。
當原子核與其它原子核相撞時，能被激發，引起共振，這個精確的共振，會產生豐富的碳，滿足多種生物的需求，隨後的核反應中，產生了元素氧、氮以及生命所必須的其它重元素。
總之，宇宙起始於大爆炸，銀河系成形於氣團。星體先在銀河系中心形成，然後比較迅速成熟，形成今天看到的樣子。
膨脹理論
在創世的一瞬間的極短時間內，宇宙很快以百倍的膨脹係數，達到了以後150億年的膨脹量，在此突然劇增的過程中，宇宙在次原子大小時，所具有的同質性特點，成了宇宙在膨脹後時代的特徵，也就是說，宇宙在膨脹前存在的任何不均性，都可能被急速的膨脹力量抹平。
膨脹理論為解釋宇宙中相距甚遠的部分，最初是如何聯結在一起的，提供了一種說法。
例如，宇宙的兩側，相距300億光年以上之遙，但卻有著完全相同水平的宇宙背景輻射。而最初這兩側是在一起的，因為膨脹而分開，以至後來相距甚遠。當膨脹發生時，只要觀察的面積大小相同，不管天空哪一部分，衛星數據都顯示了同樣數量的小、中、大波紋。
宇宙開始於一個指數膨脹階段，或根據古思的暴漲宇宙模型所指出的暴漲階段，它的尺度增加了一個很大的倍數，在膨脹過程中，最初密度漲落還保持很小，但此後也開始增長。宇宙從光滑和有序的狀態開始，在時間進行中變得結塊和無序，符合熱力學的時間箭頭。
大爆炸理論是膨脹模型的重要部分，這種指數式的膨脹過程，在平滑和一致的宇宙形成方面起了很大作用。
1999年，天文學家獲得新證據，表明宇宙是平坦的，為大爆炸理論提供了新的佐證。
根據物理學家古思的膨脹模型，新宇宙在一次能量釋放的躍變後，短暫加速自己的膨脹，即暴漲。在耗掉躍變的能量後，又回到較慢和減速膨脹狀態。好像水變成冰時的躍變，當水分子形成新的堅硬狀態的冰時，它要釋放出它的隱性能量。
我們可以用多卜勒效應測量其它星系離我們遠去的速度，決定現在的膨脹率，這可以測得很準確。但星系的距離知之不詳，只能間接測量它們。因此，我們只知道宇宙每十億年膨脹約5%至10%，但關於宇宙現在密度的不確定性很大!
相關論文
論文宣布
天文學家在英國《自然》雜誌上發表論文宣布，根據最新觀測，宇宙結構是平坦的，而且將永遠膨脹下去。
根據現代宇宙學中最有影響的大爆炸學說，宇宙是大約150億年前由一個非常小的點爆炸產生的，目前宇宙仍在膨脹。這一學說得到大量天文觀測的證實。這一學說認為，如果宇宙總質量大於某一臨界質量，那么宇宙的結構是球形的，並且總有一天會在引力作用下收縮；如果宇宙總質量小於臨界質量，那么宇宙的結構是馬鞍形的，宇宙內部的引力無法抵消宇宙膨脹的速度而使宇宙一直膨脹下去；如果宇宙總質量恰好等於臨界質量，那么宇宙的結構是平坦的，宇宙也將像現在這樣一直膨脹下去。
平坦結構
宇宙的結構實際上是時間和空間的結構，普通人很難想像。不過科學家提出一個衡量宇宙結構的標準：如果兩束平行光線越來越近，那么宇宙結構是球形的；如果兩束平行光線越來越遠，那么宇宙結構是馬鞍型的；如果兩束平行光線永遠平行下去，那么宇宙結構則是平坦的。平坦宇宙的結構可以用歐幾里德幾何解釋。
宇宙結構是平坦的這一結論是參加“銀河系外毫米波輻射和地球物理氣球觀測項目”的多國科學家得出的。這一項目的目的是研究宇宙背景輻射的詳細情況。科學家在1998年底將射電天文望遠鏡放置在氦氣球頂部，隨氦氣球上升到距地面約40公里的高空，在那裡對特定宇宙區域進行了11天的觀測，獲得了迄今關於宇宙早期輻射最詳實的數據。
數據研究
經過研究，科學家發現，在大尺度上，宇宙最初發出的光線並沒有發生彎曲現象，也就是說當初的兩束平行光線一直保持平行狀態，這說明宇宙結構是平坦的，也就是說宇宙總質量恰好等於臨界質量，宇宙將像現在這樣一直膨脹下去。
背景輻射
早在1965年，科學家就已探測到宇宙空間中均勻分布著的宇宙背景輻射，其溫度為零下270攝氏度。大爆炸學說認為，這種輻射是宇宙大爆炸後的“餘燼”。從這些“餘燼”中，科學家可以推測大爆炸初期的情景。1991年，美國宇宙背景探測衛星發現，宇宙背景輻射中存在著微小溫度波動，如同在“餘燼”中閃動著的微弱“火光”，這表明那時宇宙內已存在密度非常小的物質雲團。正是這些雲團逐漸收縮形成了後來的星系。“銀河系外毫米波輻射和地球物理氣球觀測項目”是在該衛星發現的基礎上進行觀測的。
未來研究
科學家計畫在未來幾年內發射兩顆衛星，更精確地觀測宇宙早期輻射的情況，屆時宇宙誕生和結構之謎將被進一步揭開。
