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宇宙学家说宇宙是平的是什么意思?

编辑:网友投稿来源:互联网整理更新时间:2023-02-16 10:41:28

为了可视化,你只需要考虑曲面,我们来做一下。想象你在平面上画一个三角形。

宇宙学家说宇宙是平的是什么意思

你可能知道,三角形的内角和是180度。好吗?如果我们在球面上画一个三角形呢?

宇宙学家说宇宙是平的是什么意思

如果你把球面上三角形的内角加起来,答案一般都大于180度。大多少?它取决于三角形的面积。

卡尔·高斯是19世纪的一位数学家,他在这个简单的观察中添加了一些数学内容。他定义了我们现在称之为高斯曲率的东西,可以用来量化三角形中角的和。

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事实证明,这提供了一种定义曲率的方法,即使是生活在表面上的蚂蚁也可以测量。它并不等同于所有可能的曲率概念。例如,圆柱体表面上的三角形仍然有内角之和为180度(它有零高斯曲率)。因此,人们可以说圆柱体是平的,球体是弯曲的。

类似地,我们也可以在3D中提出关于封闭形状的问题,尽管我们不能像对曲面那样简单地可视化结果。例如,一个四面体的各个角度也必须遵循一定的规则。

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如果遵循这些规则,我们说四面体嵌入的空间是平坦的。如果没有,有一种稍微复杂一点的方法来量化这种差异我们称之为黎曼曲率,以这个名字命名。

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它携带着与高斯曲率相同的信息,但可以应用于任意数量的维度。事实上,我们可以证明,在二维空间中,黎曼曲率携带的信息与高斯曲率完全相同,仅此而已。

因此,当宇宙学家说宇宙是平的时,他们是在说一些关于宇宙几何结构的非常具体的东西,以及宇宙的角度和长度是如何测量的。事实上,在这个意义上,他们经常说的是比平坦更弱的东西;它们通常意味着宇宙是整体平坦的。考虑环面。

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环面有高斯曲率。在内部,高斯曲率是负的(三角形的内角和小于180度)。在外面它是正的。然而,环面上的平均高斯曲率为零。同样,宇宙的局部可能是弯曲的(这就是宇宙中明显的引力的来源),但宇宙的整体曲率是平坦的。曲率的全局性质在很大程度上决定了形状的拓扑结构——它是闭合的还是开放的,它有多少个句柄(甜甜圈vs费城椒盐卷饼vs普通椒盐卷饼),等等。

人们甚至可以问宇宙在特定的尺度上有多平。换句话说,宇宙弯曲变形的典型大小是多少?事实证明,与我们所能看到的宇宙相比,它们小得惊人,但宇宙学家仍在争论我们为什么应该感到惊讶,或者实际上,我们是否应该感到惊讶。
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