【宇宙科普】宇宙是什麼形狀?是一張平坦的「紙」,還是一個封閉的球形?

天空之城 2021/01/29 檢舉 我要評論
 

哇!真的第一次見哎,知识不会,只是姿势不对;科学凡此种种,用人话讲才能听懂

文/天空之城

 

只要我們走出宇宙,然後圍著宇宙轉幾圈,就可以知道宇宙是什麼形狀,然而這就目前的情況來看,這似乎是不可能的。所以我們只能通過對宇宙的認知來推測宇宙的形狀是什麼樣子。

如果我們把一個空間裡的所有物質全部拿走,那還剩下了什麼?答案是什麼都沒有了嗎?錯,其實剩下的至少還有空間本身。愛因斯坦在廣義相對論中指出,空間是客觀存在的,並且空間還會因為物質質量的存在而產生彎曲,具體表現在物質的質量越大,空間的彎曲程度就越高。

值得一提的是,這個理論可以很好地解釋引力的本質,比如說太陽因為龐大的質量而使周圍的空間產生了明顯的彎曲,地球在這個彎曲的空間中沿著測地線運動,就變成了圍繞著太陽轉圈,這樣就造成了引力效應。

(由於我們無法用額外的維度來描述這種時空的彎曲,因此上圖其實是降了一維)

如果愛因斯坦是正確的,那麼宇宙的形狀就應該是由宇宙中的所有物質的質量「合力」塑造而成,而根據宇宙學原理,宇宙中的每一處空間都是等效的,這就意味著,宇宙空間在整體上擁有一個統一的曲率,而從理論上來講,在這種情況下,宇宙的形狀只可能有三種。

如上圖所示(注意,這也是降了一維的),如果宇宙空間的曲率為零,那麼宇宙的形狀就是平坦的三維空間,就像一張平坦的「紙」一樣,如果為正則是一個封閉的球形(三維球面),而如果為負的話,宇宙的形狀就是一個三維的馬鞍面。

那麼問題來了,宇宙到底屬於哪一種?是一張平坦的「紙」,還是一個封閉的球形?又或者是一個「馬鞍面」呢?很明顯,我們需要去測量宇宙空間的曲率。

根據「大爆炸宇宙論」,宇宙形成於大約137億年前的宇宙大爆炸,而在宇宙誕生之初所產生的那些古老的光線(電磁波),至今仍然在整個宇宙中傳播,只不過在穿越了漫長的時間和空間之後,它們早已成為了微波,這些微波均勻地分佈在整個宇宙空間裡,就像宇宙的背景一樣,所以這就被稱為宇宙微波背景輻射。

科學家認為,宇宙微波背景輻射的光子在宇宙中傳播了非常遙遠的距離,如果宇宙空間真的存在曲率的話,那麼它們肯定也會因此而受到影響,從而在微波背景輻射圖中表現出來(具體分析見下圖)。

2001年,威爾金森微波各向異性探測器(WMAP)發射升空,它的任務就是觀測宇宙微波背景輻射的細微變化,在對這個探測器多年來傳回的資料進行深入研究之後,科學家得出一個結論,即宇宙空間並不存在曲率,換句話來講就是,宇宙的形狀是一張平坦的「紙」。

然而在2019年11月4日,一篇發表在《自然》雜誌上的論文《普朗克證明宇宙密閉和宇宙學可能發生的危機》卻指出,根據普朗克衛星傳回的資料,宇宙空間的曲率應該為正,也就是說,宇宙的形狀應該是一個封閉的球形,這是怎麼回事呢?我們接著看。

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