宇宙無(wú)邊際？這個(gè)觀念可能是錯(cuò)誤的

當(dāng)這個(gè)神秘?cái)?shù)字從5.7變成6，我們對(duì)宇宙形狀的猜想也就改變了……

對(duì)于宇宙的形狀，物理學(xué)家曾經(jīng)有著諸多想象。現(xiàn)在，一項(xiàng)最新研究通過(guò)對(duì)普朗克衛(wèi)星的數(shù)據(jù)分析指出，宇宙可能是一個(gè)封閉的三維球面。這推翻了近年來(lái)的一個(gè)主流觀點(diǎn)，即宇宙是無(wú)邊無(wú)際的平坦三維空間。而這個(gè)全新結(jié)論的得出，涉及到一個(gè)決定了宇宙形狀的關(guān)鍵數(shù)字：宇宙臨界密度。

宇宙空間的3種可能

宇宙的形狀是什么?宇宙是否存在邊界?對(duì)于宇宙的輪廓，人類曾有諸多天馬行空的幻想。但在愛(ài)因斯坦將宇宙學(xué)原理應(yīng)用到宇宙學(xué)研究之后，宇宙的形狀就受到了嚴(yán)格的限制。宇宙學(xué)原理要求宇宙空間每一點(diǎn)的地位都是平等的，所以宇宙空間不可能有很奇怪的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)——舉一個(gè)反例，宇宙不可能長(zhǎng)成自行車內(nèi)胎這樣，因?yàn)閮?nèi)胎外側(cè)的點(diǎn)與內(nèi)側(cè)的點(diǎn)地位顯然不一樣。

所以，考慮到宇宙學(xué)原理作出的限制，那么單連通的宇宙形狀就只剩下3種可能性：如果宇宙空間具有正曲率，那么它是一個(gè)封閉的三維球面;如果宇宙空間的曲率是零，那么它是一個(gè)無(wú)邊無(wú)際的平坦三維空間;如果宇宙空間具有負(fù)曲率，那么它同樣沒(méi)有邊際，是一個(gè)三維的馬鞍面。

所以，從這個(gè)意義上來(lái)說(shuō)，宇宙空間的形狀由曲率決定。而根據(jù)愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論，宇宙空間的曲率取決于宇宙中物質(zhì)場(chǎng)的分布。所以，只要測(cè)準(zhǔn)了宇宙中的物質(zhì)場(chǎng)的分布，那么就能推斷出宇宙空間的形狀。

現(xiàn)在，普朗克衛(wèi)星為這個(gè)問(wèn)題的解決提供了新的依據(jù)。在一項(xiàng)發(fā)表于《自然·天文學(xué)》的最新論文中，曼徹斯特大學(xué)的埃萊奧諾拉·瓦倫蒂諾 (Eleonora Di valentino)、意大利薩皮恩扎大學(xué)的亞歷山德羅·梅爾奇奧(Alessandro Melchiorri?)和牛津大學(xué)的約瑟夫·西爾克(Joseph Silk)，根據(jù)衛(wèi)星的宇宙微波背景輻射功率譜中的引力透鏡幅度，推算出宇宙空間的曲率為正。也就是說(shuō)，宇宙空間是一個(gè)封閉的三維球面。

臨界密度是關(guān)鍵

那么，物理學(xué)家如何判斷宇宙空間的形狀呢?

對(duì)于宇宙空間來(lái)說(shuō)，存在一個(gè)決定其形狀的分界線，這個(gè)分界線就是宇宙的臨界密度。

在理論上，我們可以定義一個(gè)臨界密度。這個(gè)臨界密度與哈勃常數(shù)有關(guān)，它的物理含義是宇宙中的所有物質(zhì)和能量(包括暗物質(zhì)和暗能量)的平均密度。在這個(gè)平均密度下，宇宙空間是平坦的。

根據(jù)哈勃常數(shù)計(jì)算得知，這個(gè)臨界密度等于每立方米約5.7個(gè)質(zhì)子質(zhì)量。

作為對(duì)比，我們知道在太陽(yáng)系內(nèi)，僅僅暗物質(zhì)的密度就有每立方米3萬(wàn)個(gè)質(zhì)子質(zhì)量。所以，太陽(yáng)系的密度遠(yuǎn)高于宇宙臨界密度。但因?yàn)橛钪嬷衅渌胤?例如星際空間)的物質(zhì)分布很稀薄，所以平均起來(lái)的臨界密度肯定沒(méi)太陽(yáng)系內(nèi)那么高。需要注意的是，雖然太陽(yáng)系內(nèi)物質(zhì)密度很高，所以在局部意義上肯定不是平坦空間;但在宇宙學(xué)尺度上，我們不必考慮太陽(yáng)系大小，在宇宙學(xué)中，銀河系就是一個(gè)質(zhì)點(diǎn)。討論宇宙空間是不是平坦的，是從宇宙學(xué)尺度考慮的。

因此，一旦實(shí)測(cè)到的宇宙總密度等于臨界密度，那么宇宙就是平坦的三維歐幾里德空間;如果測(cè)得的密度大于或小于臨界密度，那么宇宙將分別是彎曲的封閉三維球面或三維馬鞍面。

在以上三種情況中，只有封閉的三維球面說(shuō)明宇宙空間是有限的，另外兩種情況中整個(gè)宇宙空間是無(wú)限大的。

普朗克衛(wèi)星給出新結(jié)論

其中最重要的實(shí)驗(yàn)方法，是對(duì)宇宙微波背景輻射的觀測(cè)。宇宙微波背景輻射相關(guān)的研究，已經(jīng)在1978年、2006年與2019年三次獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。但這一領(lǐng)域其實(shí)還剛剛起步，對(duì)于人類來(lái)說(shuō)，對(duì)宇宙微波背景的研究是了解宇宙的一個(gè)重要手段。

瓦倫蒂諾等人最近的論文分析了觀測(cè)宇宙微波背景輻射的普朗克衛(wèi)星的數(shù)據(jù)。普朗克衛(wèi)星的望遠(yuǎn)鏡測(cè)量了過(guò)去138億年中，宇宙微波背景輻射“引力透鏡化”的程度，以此測(cè)量宇宙的平均密度。具體而言，他們研究的是這些宇宙微波背景輻射光子。這些光子在飛向地球的過(guò)程中，遇到的物質(zhì)越多，它們的方向就愈加無(wú)法清晰地反映它們?cè)谠缙谟钪嬷械钠瘘c(diǎn)。在衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)中，這樣的現(xiàn)象呈現(xiàn)的是模糊的效果。根據(jù)他們對(duì)數(shù)據(jù)的分析，宇宙的平均密度可能比以前估計(jì)的臨界密度高5%。也就是說(shuō)，在宇宙中平均每立方米有6個(gè)質(zhì)子質(zhì)量，而不是5.7個(gè)。

宇宙微波背景輻射

根據(jù)這項(xiàng)研究，宇宙空間可能是一個(gè)封閉的三維球面。而在此之前，基于WMAP衛(wèi)星對(duì)宇宙微波背景輻射的觀測(cè)結(jié)果，以及2013年普朗克衛(wèi)星的第一批數(shù)據(jù)，物理學(xué)家建立了名為L(zhǎng)AMDA-CDM的宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型。在那個(gè)模型中，宇宙是平坦的。因此我們可以說(shuō)，最新的研究提出的結(jié)論是顛覆性的。

所謂的三維球面，還可以與數(shù)學(xué)上著名的龐加萊猜想聯(lián)系起來(lái)，龐加萊猜想認(rèn)為，單連通的無(wú)邊界的三維幾何體其實(shí)只有一種，這唯一的可能性就是三維球面。所以，如果埃萊奧諾拉·瓦倫蒂諾他們的論文是正確的，那么我們就可以把龐加萊猜想與宇宙空間的形狀掛鉤，這具有理論美感。

當(dāng)然，我們必須把可觀測(cè)宇宙和整個(gè)宇宙區(qū)分開(kāi)來(lái)?？捎^測(cè)宇宙只是整個(gè)宇宙中的一個(gè)空間區(qū)域，目前我們定義為以地球?yàn)橛^測(cè)中心，半徑約460億光年的一個(gè)理想球體。

在最新論文中，研究者討論的是整個(gè)宇宙空間的形狀，他們認(rèn)為整個(gè)宇宙有99%以上的可能性是一個(gè)封閉的三維球面。

盡管這項(xiàng)研究給出了最新的結(jié)果，但關(guān)于宇宙空間形狀的爭(zhēng)論仍未塵埃落定。一個(gè)重要原因是，宇宙臨界密度的計(jì)算依賴于對(duì)哈勃常數(shù)的測(cè)量。但目前看來(lái)，哈勃常數(shù)還測(cè)不準(zhǔn)：雖然普朗克衛(wèi)星給出了一個(gè)哈勃常數(shù)，但卻與其他方法測(cè)得的哈勃常數(shù)有著明顯的分歧。既然哈勃常數(shù)測(cè)不準(zhǔn)，所以宇宙的平均密度也算不準(zhǔn)，因此這個(gè)臨界線是模糊的。因此，現(xiàn)在說(shuō)宇宙空間一定是封閉的，還為時(shí)過(guò)早。

目前正在智利建造的西蒙斯天文臺(tái)，以及中國(guó)西藏的阿里宇宙微波背景輻射偏振探測(cè)器，將提供更精確的測(cè)量數(shù)據(jù)。也許未來(lái)5年，從這些設(shè)備的觀測(cè)數(shù)據(jù)中，我們能重新認(rèn)識(shí)這個(gè)宇宙空間。

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