宇宙幾何模型圖 封閉-開放-平坦

因曲率不同，宇宙可能有三種不同的形態(tài)，即平直的三維歐氏幾何空間、彎曲的封閉三維球面和彎曲的三維雙曲面。

具有巨大盤面的扁球體，就像個(gè)超級(jí)大號(hào)的鐵餅——這是我們賴以生存的銀河系的肖像。那么，宇宙是什么形狀的呢?

無(wú)數(shù)科學(xué)家都曾對(duì)其有過(guò)諸多猜想，這個(gè)疑問(wèn)也始終沒有確切的答案。經(jīng)過(guò)多年的觀測(cè)和推演，這些猜想逐漸收斂到一個(gè)主流的觀點(diǎn)上——宇宙是無(wú)邊無(wú)際的平坦三維空間。

近日，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)研究人員埃萊奧諾拉·瓦倫蒂諾等人通過(guò)對(duì)普朗克衛(wèi)星的觀測(cè)數(shù)據(jù)分析指出，宇宙可能不是像床單一樣平坦，而是一個(gè)封閉的三維球面，就像個(gè)巨大的氣球一樣彎曲。該研究日前發(fā)表在《自然·天文學(xué)》雜志上。

兩種思路探索宇宙形狀之謎

以牛頓引力為基礎(chǔ)的牛頓宇宙觀認(rèn)為，宇宙是無(wú)限無(wú)邊的三維歐氏幾何空間，即宇宙分布在我們常說(shuō)的立體幾何空間里，這一空間是無(wú)限的，其中均勻地分布著無(wú)限多的天體。然而，這一假設(shè)與引力理論并非完全契合，而是存在某些矛盾。

“后來(lái)，當(dāng)人們認(rèn)識(shí)到彎曲空間的概念以后，便有了宇宙是三維球面的可能性。”中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員陳學(xué)雷在接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)表示，愛因斯坦構(gòu)造了一個(gè)有限無(wú)邊的宇宙靜態(tài)模型，他認(rèn)為宇宙可能是一個(gè)有限封閉的三維球面。

根據(jù)廣義相對(duì)論，物質(zhì)的存在使得時(shí)空彎曲。在巨大質(zhì)量的天體附近，光線不“走”直線，而是“走”曲線。后來(lái)，隨著對(duì)宇宙的認(rèn)知進(jìn)一步加深，人們發(fā)現(xiàn)，實(shí)際上宇宙的真實(shí)形狀存在著多種可能性。

“最常見的有3種可能，即平直的三維歐氏幾何空間、彎曲的封閉三維球面和彎曲的三維雙曲面。”陳學(xué)雷表示，即宇宙曲率分別為零、正和負(fù)時(shí)，宇宙所呈現(xiàn)的三種不同形態(tài)。

這三種可能的宇宙形狀中，只有封閉三維球面是有限的空間。三維雙曲面就像馬鞍的形狀一樣，馬鞍的雙側(cè)下沿?zé)o限延伸。而平坦的三維歐氏空間就更無(wú)邊無(wú)際了。

那么，這三種可能性究竟哪種才是宇宙的真實(shí)形狀呢?我們又是用何種方法測(cè)算出宇宙的形狀呢?

“主要有兩種思路，其一是用幾何的方法測(cè)量，其二是用密度的方法去界定。”陳學(xué)雷介紹。

眾所周知，在平直空間的歐氏幾何中，任何三角形的內(nèi)角之和都是180°。但是如果在球面上或曲率為正的曲面上，內(nèi)角加起來(lái)將超過(guò)180°。而在雙曲面或曲率為負(fù)的曲面上，三角形內(nèi)角加起來(lái)將小于180°。幾何測(cè)量方法的原理是，以觀測(cè)者作為一個(gè)頂點(diǎn)，再在空間選取2個(gè)點(diǎn)，構(gòu)成一個(gè)三角形。如果我們能測(cè)出三條邊的邊長(zhǎng)，在歐氏幾何中就可以確定這一具有唯一性的三角形，其頂角的大小就可以計(jì)算出來(lái)。另一方面，我們也可以通過(guò)直接觀測(cè)得到我們所在的頂角的大小，與計(jì)算值相比，就可以確定是否一致，還是更大或更小。

如果這個(gè)頂角的觀測(cè)值和計(jì)算值(真實(shí)值)相等，表明宇宙是平直的三維歐氏空間;如果觀測(cè)值大于計(jì)算值，則表明光線在一個(gè)正曲率面上穿行，即宇宙為球面;如果觀測(cè)值小于計(jì)算值，則表明宇宙是負(fù)曲率的雙曲面。

另外一種思路取決于膨脹宇宙的總體密度和臨界密度的關(guān)系。臨界密度取決于膨脹速度，某一時(shí)刻的膨脹速度越高，臨界密度也越高。

根據(jù)廣義相對(duì)論，當(dāng)宇宙的總體密度(即平均密度)等于臨界密度時(shí)，宇宙形狀為無(wú)限、平坦的三維歐氏空間;當(dāng)總體密度大于臨界密度時(shí)，宇宙的幾何性質(zhì)表現(xiàn)為球面幾何;如果宇宙空間中物質(zhì)總量太少，使得其密度小于臨界密度的話，宇宙表現(xiàn)為雙曲幾何。

微波背景輻射掀起宇宙神秘面紗

然而，如果沿著幾何測(cè)量思路，在宇宙尺度上，我們不可能飛到足夠遠(yuǎn)的距離去實(shí)地探測(cè)，因?yàn)槿绻麅H僅是在銀河系內(nèi)甚至銀河系周邊測(cè)量，得到的也只是局部的曲率，并非整個(gè)宇宙的真實(shí)曲率。就像是地球上有高山、盆地，高低不平，但地球總體上還是個(gè)球體。

如果沿著宇宙密度的思路去研究，實(shí)際操作起來(lái)也很困難。原因在于，雖然我們已經(jīng)測(cè)算出了與哈勃常數(shù)相關(guān)的臨界密度值，但宇宙的總體密度卻很難測(cè)準(zhǔn)。星系間存在廣袤的空間，星系內(nèi)和星系之間的空間密度便大不一樣。更何況，宇宙中還存在著尚未觀測(cè)到的、所謂的暗物質(zhì)，其數(shù)量可能遠(yuǎn)超過(guò)目前的可見物質(zhì)，這給總體密度的測(cè)定帶來(lái)了很大的不確定因素。

宇宙微波背景輻射則為推算宇宙平均密度提供了很大助力。20世紀(jì)90年代末的毫米波段氣球觀天計(jì)劃中，人們通過(guò)對(duì)宇宙微波背景輻射的相關(guān)數(shù)據(jù)收集，測(cè)量出宇宙總體密度與臨界密度的比值接近于1。“實(shí)驗(yàn)是存在誤差的，因此基于這一結(jié)果，人們認(rèn)為宇宙沒有明顯的正曲率或負(fù)曲率，幾乎是平坦光滑的空間結(jié)構(gòu)。”陳學(xué)雷表示，這也與宇宙暴脹理論所預(yù)測(cè)的平坦宇宙不謀而合。

2018年，歐洲航天局(ESA)普朗克巡天計(jì)劃公布了更為精確的觀測(cè)數(shù)據(jù)。“盡可能地剔除了相關(guān)實(shí)驗(yàn)誤差之后，歐洲航天局的數(shù)據(jù)顯示，宇宙曲率可能傾向于正，即宇宙形狀為封閉球面，雖然這一‘傾向’并不十分明顯。”陳學(xué)雷說(shuō)。

此次研究中，瓦倫蒂諾等人通過(guò)普朗克衛(wèi)星觀測(cè)得到宇宙微波背景輻射“引力透鏡化”程度的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，又分析了大量數(shù)據(jù)，采用不同的模型對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，相關(guān)計(jì)算得出宇宙是封閉球面的概率約為99%。

結(jié)果更可靠但爭(zhēng)論遠(yuǎn)未塵埃落定

這項(xiàng)研究結(jié)果可靠嗎?宇宙形狀的爭(zhēng)論是否也就此塵埃落定?

“此次研究中所采用的統(tǒng)計(jì)學(xué)研究并非無(wú)懈可擊，還存在一定的誤差。但如果事實(shí)確實(shí)如此，那必然會(huì)推翻很多傳統(tǒng)的認(rèn)知。”陳學(xué)雷告訴科技日?qǐng)?bào)記者，研究人員可能會(huì)低估統(tǒng)計(jì)誤差，所以真實(shí)的概率或許沒有99%這么高。

“值得注意的是，所有的參數(shù)推演都是基于一定的模型，例如通過(guò)時(shí)間和速度，可以計(jì)算出路程。路程、時(shí)間、速度這三者之間的關(guān)系就是一個(gè)簡(jiǎn)單的模型。而這項(xiàng)研究中，我們并不確定其用到的模型本身是否包含了所有的物理學(xué)效應(yīng)，這是值得進(jìn)一步研究的。”陳學(xué)雷指出，比如未考慮到某些效應(yīng)，或存在一些未知效應(yīng)，就會(huì)影響我們對(duì)宇宙真實(shí)形狀的判斷。

研究人員也表示：“我不想說(shuō)我相信一個(gè)封閉的宇宙。”他認(rèn)為，這一結(jié)果只是表明與以往的研究有差異，至于為何會(huì)存在這一差異，應(yīng)謹(jǐn)慎地探索其中原因。

以往也曾有研究指出，宇宙的形狀并非平坦的三維歐氏空間。為何此次研究，學(xué)界較為關(guān)注?

“以往的研究通常會(huì)根據(jù)宇宙微波背景輻射的熱斑判斷宇宙形狀。”陳學(xué)雷告訴記者，宇宙微波背景輻射的溫度是不均勻的。宇宙早期存在聲波振蕩，第一次振蕩產(chǎn)生的熱斑最大。以往的研究相當(dāng)于只是在這個(gè)最大熱斑的基礎(chǔ)上畫了一個(gè)三角形，測(cè)量宇宙曲率。事實(shí)上，如果改變其中某些參數(shù)，即便不同的模型也可能會(huì)擬合出同樣的曲線，因此準(zhǔn)確度相對(duì)較低，可信度也較低。

“而此次研究相當(dāng)于不僅采用了最大熱斑的三角形，還同時(shí)分析了其他振蕩所產(chǎn)生熱斑的三角形，宇宙是封閉球面的結(jié)果相對(duì)更加可信。”陳學(xué)雷談道，“文章中還提到了對(duì)除宇宙微波背景輻射之外的觀測(cè)，如超新星等，擬合效果并不理想，這表明還有一些東西我們未考慮到，需要進(jìn)一步的探索。”

關(guān)鍵詞： 三選一 宇宙是個(gè)球