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宇宙是平的——至少目前看來是這樣

現代研究表明宇宙是平的,難道這意味著我們的宇宙像一張平面一樣嗎?宇宙是「平」的代表著什麼呢?


撰文 MIHAI ANDREI


編譯 怡若樂

審校 丁家琦


幾何學、拓撲學和宇宙大爆炸

宇宙是平的——至少目前看來是這樣


科學家用9年時間內收集的WMAP數據繪製出詳細的嬰兒期宇宙全天圖。這張圖片揭示了宇宙誕生137.7億年以來,星系從起源到演化過程中的溫度波動(溫度差異顯示為不同顏色)。 圖片來源:NASA / WMAP


在宇宙中間去思考宇宙的形狀確實有些荒謬。我們一般是通過從外部觀察來了解物體的形狀——但我們怎麼可能跑到宇宙的外面去觀察宇宙呢?說到宇宙的形狀時,天文學家們通常會提到兩個概念:


1.局部幾何的概念:這涉及到可觀測宇宙的幾何形狀及其曲率。


2.全局幾何的概念:這涉及到拓撲學的概念,在拓撲學中,事物可能會與它們看起來的樣子截然不同。


如果我們可以觀察整個宇宙,並且不受其幾何性質或其它特徵限制,那麼以上兩條就是一致的。但如果湊巧兩者不一致,並且觀測被某些宇宙的內在特性所限制,我們就無法知道宇宙形狀——至少現在沒辦法知道。

大多數人會認為宇宙是一個對稱的球形——差不多像地球一樣的球狀。我們知道地球表面不是平的,在幾何學中,這意味著地球表面上看似「平行」的線並不真正平行。所有的線,即使它們開始時候平行,最終也會有交點,並且它們之間的距離不是固定的。如下圖所示:

宇宙是平的——至少目前看來是這樣



三種可能的宇宙的形狀:封閉式,開放式和平面。圖片來源:NASA


所以說,如果宇宙是平面的話,平行線就會永遠保持平行——這是問題的關鍵。而在實驗中,科學家們發現,來自不同星系的光在很長距離上仍然保持平行。重子振蕩光譜測量(BOSS)望遠鏡也給出了一些非常有力的證據,證明了可觀測宇宙確實是平坦的,這令人感到很困惑。

美國勞倫斯伯克利國家實驗室物理學分部的大衛·塞拉格爾(David Schlegel)表示:「我們之所以關心這個問題,是因為如果宇宙是平坦的,就意味著它可能是無限的,沒有盡頭——它會在空間和時間中永遠延伸。我們的結果可能會支持無限宇宙模型。」


有限與無限


這就引出了另一個關於宇宙形狀的,還存在爭議的問題:宇宙到底是有限,還是無限的?我們都知道宇宙非常大,但它是無限的嗎?


人類一直在思考這個問題。18世紀,德國天文學家海因里希·威廉·奧爾伯斯(Heinrich Wilhelm Olbers)提出了一個悖論:如果宇宙是無限的,那天空就不會是黑暗的,因為在任何方向都會有無限的空間,無限的空間里充滿了發光的恆星。然而,我們看到的夜空並沒有被整個照亮,這樣說的話,宇宙就不應該是無限的。不過,奧爾伯斯悖論沒那麼簡單,有很多複雜的解釋,比如宇宙正在迅速膨脹,所以遙遠的恆星將會紅移直到黯淡,或者來自其他恆星的光還沒有到達我們這裡——不過這個我們也無法得知。現在知道的是,超過約137億歲的恆星或星系太遠了,他們發出的光永遠無法到達地球。所以我們大概知道了宇宙的年齡,但它的大小呢?

你可能會說,我們直接測量一下宇宙各個方向的長度,不就知道宇宙的大小了?但這也沒那麼簡單。

宇宙是平的——至少目前看來是這樣



宇宙在一個膨脹的球體上。最遠的星系移動最快,因此會有長度收縮,站在中心位置的觀察者會看到它變小。 圖片來源: Drschawrz


可觀測宇宙的直徑是910億光年。從可觀測宇宙邊緣到達我們地球的光所走的距離,就非常接近宇宙的年齡乘以光的速度,即138億光年,但這個距離會隨著時間變化,因為可觀測宇宙邊緣和地球的距離正在不斷增加。因為我們無法觀察到可觀測宇宙邊緣外的空間,所以無法直接知道宇宙是不是無限的。現代的測量數據,包括宇宙背景探測器(COBE),威爾金森微波各向異性探測器(WMAP)和普朗克衛星的CMB地圖,都表明宇宙在廣度上是無限的,但是這一點還存在爭議。


那麼大爆炸呢?

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137.7億年中宇宙演化的示意圖。最左邊代表我們現在可以探測的最早時刻,「暴脹」(inflation)時期宇宙以指數形式迅速膨脹。 圖片來源:NASA / WMAP


大多數人都了解一些關於大爆炸期間發生的事情,但很多誤解恰恰也產生於這一方面。當空間產生時,大多數人都會覺得它會在所有方向上同時延伸——但事實並不是這樣。在大爆炸之前,沒有空間或時間。所以,大爆炸的「外面」並不存在任何東西,讓宇宙「延伸到那裡」。宇宙只是從一個微小的體積擴大到一個巨大的體積,甚至直到現在還在繼續擴大——但這不能保證它在各個方向是對稱的。


所以讓我們回到局部幾何和全局幾何的概念上來。我們所能觀測到的是局部幾何,即可觀測宇宙。即使不可能做到無一缺漏,我們的觀測也要儘可能地詳細,且考慮周到。


宇宙的整體形狀


所以,我們的宇宙可能是平坦且無限的,但這並不能幫助我們推知它的整體形狀。即使平行線永遠是平行的,可觀測宇宙是平坦的,也並不意味著整個宇宙是平坦的。它可能類似於莫比烏斯環——空間彎曲、扭曲,但線保持平行,最後將空間的一端連接到另一端上去。


最後,關於宇宙的形狀,有三種不同的可能,並且都有自己獨特的含義:


1.宇宙曲率為零,即宇宙是平坦的。它不一定是無限的,也不一定需要像紙一樣:它可以是環狀的。


2.宇宙曲率為正,也就是球形。


3.宇宙曲率為負。你可以把它想像成一個三維的無限延伸的鞍狀物。


我們現在也不知道到底哪種說法正確。我們所知道的是,可觀測的宇宙是平坦的——這確實也是一個了不起的發現了。


http://www.zmescience.com/space/astrophysics-space/shape-universe-really/


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