我們所在的宇宙有形狀嗎?它的形狀是什么?是無限還是有限?
大家有沒有考慮過這樣的問題。
對(duì)于這個(gè)問題,天文學(xué)家又是如何探索的。
要了解一個(gè)物體真實(shí)的形狀,最直接的辦法可能就是從外面去看它。
但對(duì)于宇宙來說我們要怎么去看它呢?
宇宙有外面嗎,或者就算是有,我們能去宇宙的外面嗎?
顯然,這是我們無法辦到的事情。
所以,身在宇宙之中我們要怎么探索宇宙的形狀。
天文學(xué)家說,我們可以根據(jù)宇宙中物質(zhì)的密度來推測(cè)。
為什么根據(jù)密度就可以推測(cè)宇宙的形狀?
臨界密度
1915年的時(shí)候,愛因斯坦發(fā)表了廣義相對(duì)論。
這是一個(gè)劃時(shí)代的引力理論。
這個(gè)理論告訴我們,質(zhì)量可以使得時(shí)空彎曲。
所以在一個(gè)充滿物質(zhì)的宇宙中,它的幾何形狀是由其中物質(zhì)的含量來決定。
而在大爆炸模型下,宇宙在膨脹。
所以宇宙最終的形態(tài)是由向外膨脹的因素和產(chǎn)生引力的物質(zhì)含量共同決定。
據(jù)此,天文學(xué)家推測(cè)出了一個(gè)臨界密度(就是宇宙物質(zhì)的含量剛好可以阻止膨脹的一個(gè)臨界值)。
它的數(shù)值大約為9.×10^{-27}千克/立方米。
這個(gè)密度差不多就是每立方米的空間包含5個(gè)質(zhì)子。
這是很小很小的一個(gè)密度,比我們?nèi)嗽煺婵湛臻g的密度小的多的多。
宇宙的密度
如果我們觀測(cè)到宇宙的密度大于這個(gè)臨界密度,那么宇宙在未來膨脹之后還會(huì)重新坍縮,所以它是一個(gè)封閉有限的宇宙,就像球形那樣。
如果密度小于臨界密度,宇宙將會(huì)一直膨脹永無休止,它的曲率為負(fù),形狀有點(diǎn)像擁有雙曲的馬鞍面。
若實(shí)際密度等于臨界密度,引力恰好可以阻止膨脹,未來某個(gè)時(shí)刻它將停止膨脹但不會(huì)重新坍縮,這樣的宇宙曲率為零,幾何形狀是一個(gè)平坦的宇宙。
所以,宇宙的形狀是什么就看它的真實(shí)密度是多少,
是多少呢?
天文學(xué)家實(shí)際觀測(cè)到的宇宙實(shí)際密度幾乎接近臨界密度。
這是一個(gè)令人困惑的結(jié)果。
因?yàn)檫@個(gè)結(jié)果預(yù)示著宇宙的幾何形狀似乎是一個(gè)平坦的宇宙。
普朗克衛(wèi)星探測(cè)宇宙微波背景輻射時(shí)其結(jié)果也趨向于平坦。
所以大爆炸為何會(huì)炸出一個(gè)平坦的宇宙呢?
這確實(shí)令人很困惑。
尋找宇宙的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
不過對(duì)于這個(gè)平坦,天文學(xué)家并不認(rèn)為宇宙的形狀只是像平面那么簡(jiǎn)單。
平坦,在歐幾幾何中會(huì)有這樣的特性,兩條平行線永遠(yuǎn)平行,它們不會(huì)相交也不會(huì)發(fā)散,三角形的和永遠(yuǎn)都是180°。
但我們所在的宇宙并不只是二維。
在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中,歐幾平面只是擁有這個(gè)平坦特性的一種。
三維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中它還會(huì)擁有其它復(fù)雜的形狀。
比如圓柱體、圓環(huán)體、莫比烏斯環(huán)等等。
事實(shí)上,擁有平坦幾何的拓?fù)涮煳膶W(xué)家已經(jīng)知曉18種。
所以,平坦的宇宙并不一定只是簡(jiǎn)單的平面,它也可以擁有一些我們想象不到的形狀。
所以探索宇宙整體的形狀我們不能只是以曲率來了解,我們還要探索它的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
這才是我們了解宇宙整體幾何形狀的途徑。
那么宇宙到底是簡(jiǎn)單的平面還是擁有復(fù)雜的形狀呢?
2004年的時(shí)候天文學(xué)家提出了一個(gè)驗(yàn)證的方法。
若宇宙是像歐幾平面那樣的平坦宇宙,它具有單連通的屬性,觀察者和光源只有一條可連接的路徑。
若宇宙是像甜甜圈那樣復(fù)雜的形狀,宇宙將是有限的宇宙具有多連通的屬性,觀察者和光源會(huì)存在多條連通的路徑。
這樣,我們?cè)谟钪娌煌目臻g將會(huì)看到同一光源的重復(fù)像。
所以,若是需找到了這樣的特征。
我們將可以推測(cè),宇宙雖然平坦,但它也具有復(fù)雜的形狀。
2004年天文學(xué)家就是以這樣的思路在宇宙微波背景輻射中尋找重復(fù)的信號(hào)。
不過很遺憾,他們并沒有找到。
新的探索
十年后,2024年,他們分析了之前失敗的原因。
原因可能是宇宙微波背景輻射還沒有貫穿整個(gè)宇宙,所以有的光還沒有被我們看到,那么那些重復(fù)的信號(hào)也就無法出現(xiàn)。
所以他們又提出了新的思路,這個(gè)思路相當(dāng)于聽聲辨別。
他們認(rèn)為,復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)肯定會(huì)影響微波背景輻射中光子的密度,就像固定的琴弦只能發(fā)出固定的聲音。
所以,他們將識(shí)別微波背景輻射中那些異常的密度漲落,就像尋找旋律那樣,從而探索宇宙的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
后續(xù)能不能成功呢。
我們拭目以待!
這就是天文學(xué)家探索宇宙形狀的方法。
我是騰寶,一個(gè)熱愛天文的科普創(chuàng)作者,還希望大家多多關(guān)注與支持
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