在高維空間中,我們的宇宙是什麼形狀?衛星觀測資料給出參考答案

薛定諤的貓 2021/08/18 檢舉 我要評論
 

哇!真的第一次見哎,知識不會,衹是姿勢不對;科學凡此種種,用人話講才能聽懂

文/天空之城團隊

 

1919年,天文學家愛丁頓組織了兩個日食觀測團隊,分別前往非洲的普林西比島以及南美洲的巴西,他們的目的並不是觀賞日食奇觀,而是為了驗證愛因斯坦在廣義相對論中提出的一個理論:具有質量的物體會讓空間發生彎曲,並且物體的質量越大,空間就彎曲得越厲害。

太陽是太陽系中質量最大的天體,它無疑就是一個理想的觀測物件,根據廣義相對論的預言,當遠處恒星發出的光線在經過太陽附近時,會發生1.74弧秒的偏轉,這是可以觀測到的,由於太陽實在是太亮了,所以相關的觀測就只有在日食的時候進行。

此次觀測結果是,遠處恒星發出的光線在經過太陽附近時確實發生了偏轉,其中普林西比島觀測到的偏轉角為1.61弧秒,巴西觀測到的偏轉角為1.98弧秒,實際觀測值與廣義相對論的理論值非常接近。

愛丁頓的觀測結果證明了廣義相對論是正確的,自此之後,人們知道了原來空間可以彎曲,但問題是,空間到底是怎麼彎曲的呢?其實在三維的空間中,我們是無法看到這種彎曲的,換句話來講就是,只有在更高維的空間中,我們才能看到空間是如何彎曲的。

既然空間可以發生彎曲,那在高維空間中,我們的宇宙是什麼形狀呢?

根據宇宙學原理,宇宙空間在整體上是處處等效的,也就是說,宇宙的質量會使宇宙具備一個整體上的曲率,根據曲率的不同,宇宙的形狀也就不同,從理論上來講,宇宙可能會是以下三種形狀。

如上圖所示,當宇宙整體的曲率為正時,宇宙的形狀就是一個封閉的三維球面,為負則是開放的三維馬鞍面,而當宇宙整體的曲率為零時,宇宙的形狀就是一個開放的三維平坦空間(注:因為我們無法描述更高維度是啥樣,所以上圖其實是減少了一個維度)。

由此可知,只要我們知道了宇宙的曲率,就可以知道宇宙在高維空間中到底是什麼形狀,實際上,關於宇宙的曲率,衛星觀測資料已經給出參考答案。我們來看看具體是怎麼回事。

在我們的宇宙中,一直存在著兩大「勢力」的較量,其中是一方是萬有引力,它起的效果是讓宇宙的曲率為正,另一方則是推動宇宙膨脹的暗能量,它起的效果是讓宇宙的曲率為負。

很明顯,當萬有引力與暗能量「勢均力敵」時,宇宙的曲率就為零,而由於萬有引力與質量密切相關,因此我們就可以根據宇宙的膨脹率(即哈勃常數)計算出與之平衡的萬有引力,再進一步計算出這種情況下的宇宙平均密度,而這個密度就被稱為「宇宙臨界密度」。

科學家認為,假如實際測量到的宇宙平均密度高於這個「宇宙臨界密度」,就說明宇宙的曲率為正,反之則為負,而如果兩者相等,宇宙的曲率就為零。那麼應該如何測量宇宙的平均密度呢?這就要借助宇宙微波背景輻射了。



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