【腦洞系列】宇宙可能是個巨型甜甜圈?關於宇宙的形狀,科學家們爭論不已

薛定諤的貓 2021/07/26 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

 

大約138億年前,我們的宇宙通過大爆炸的形式誕生。在經歷了暴脹和膨脹之後,形成了今天的模樣。

如果你因為這個就認為宇宙是一個巨大的球狀結構,那就有可能大錯特錯了。有科學家認為,我們的宇宙可能是一個巨大的三維甜甜圈形狀。這是怎麼回事呢?

多年以來,科學家們一直在探討關於宇宙形狀的問題,並且為此爭論不已。爭論的焦點比如:宇宙是不是平坦的?它到底是封閉的還是開放的?這裡的平坦、封閉,和普通人想象的有所不同,而是從幾何學和拓撲學等方面來定義的。

幾何學大家還略有瞭解,拓撲學又是什麼呢?簡單來說,拓撲學所研究的,就是將某個幾何圖形或空間通過連續改變形狀後,還能保持一些特性不變的學科。拓撲學最早解釋的問題,就是幾何學上著名的七橋問題和四色問題。

舉個例子:在普通人看來,一張紙就是平坦的,你可以在上面畫許多的平行線。如果你將這張紙將它卷成一個圓柱體,那麼這些平行線依然是相互平行的。從這個角度來講,圓柱體也是平坦的。如果你再延伸一下,假設這張紙的彈性極佳,將它卷成的圓柱體的兩端連接在一起,就成了甜甜圈的形狀。你會發現,這些平行線依然是平行的,所以它還是平坦的。

神奇吧?

至於所謂的封閉還是開放,討論的就是這些平行線是否會相交。如果相交,那麼這個形狀就是封閉的;反之,如果發散,那就是開放的。宇宙的封閉與否,決定著宇宙未來的命運。一個平坦而又開放的宇宙,將會永遠膨脹下去,而封閉的宇宙則會迎來坍縮的命運。

所以,宇宙的形狀確實是一個非常重要的話題。

目前的許多研究都認為,我們的宇宙是平坦的。尤其是宇宙微波背景輻射,產生於宇宙大爆炸後的38萬年,被稱為宇宙大爆炸的餘暉,記錄下了許多宇宙早期的秘密。對它的研究結果也表明,宇宙是平坦的。

不過,關於宇宙的拓撲結構,我們仍然有很多的未知。我們不知道,自己所處的是不是一個多維連通宇宙,也就是說,它的一個或多個維度是不是相互連接的。

想要得到這個答案,其實是非常困難的。這是因為,這些維度的自我封閉,或許存在於極大的尺度,甚至超出了可觀測宇宙的范圍,進入到了不可觀測宇宙的空間內。如果是這樣的,那麼我們確實無法觀測到。

不過,我們知道,宇宙是隨著年齡的增大而在空間上變大的,如果我們能回溯遙遠的歷史,就可能看到當時還「不太大」的宇宙,其維度的封閉就在我們可觀測范圍內了。沒錯,這就要提到剛才我們說的宇宙微波背景輻射了。它產生的時候,宇宙的尺寸比現在小得多,可以供我們觀測。如果宇宙在那個時候就是多維度連接的,那麼今天也應該保持這個性質。

最近,來自于德國烏爾姆大學和法國里昂大學的一個天體物理學家團隊,借助美國宇航局的WMAP和歐洲航天局普朗克衛星等設備繪製的宇宙微波背景輻射地圖,對宇宙微波背景輻射溫度中的波動進行了研究。他們指出,這種波動從尺度范圍會有一個極限,這個極限就能告訴我們宇宙的結構秘密。

法國里昂大學天體物理研究中心的天體物理學家Thomas Buchert解釋說:「在一個無限的空間裡,宇宙微波背景輻射溫度的擾動會在全部尺度下都存在。不過,如果空間是有限的,那麼當波長超過空間尺寸時,這部分波長就會丟失。」



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