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宇宙到底是什么形狀？科學(xué)家在尋找最終答案

來源：新浪科技時間：2019-12-09 10:28:03

據(jù)國外媒體報道，宇宙形狀是宇宙學(xué)中最重要的問題之一，具有深遠的影響，甚至能夠為我們揭示宇宙的最終命運。

幾十年來，天文學(xué)家一直在測量中比宇宙當(dāng)成幾何意義上的平面，但近期的一項宇宙學(xué)研究報告稱，最新的測量結(jié)果表明，宇宙實際上更可能是彎曲的。不過，這個問題并不止一個簡單的測量結(jié)果那么簡單。

我們都知道，地球表面是彎曲的，因此你在高中學(xué)到的幾何知識并不總是適用。例如，平行線在地球上并不總是保持平行：經(jīng)度線會在南、北兩極相交，這種情況在平面上是不可能發(fā)生的。如果用一個三角形將地球上的三個城市連接起來，你會發(fā)現(xiàn)，這個三角形的內(nèi)角之和超過了180度，沒錯，這又是球面與平面的差別。

天文學(xué)家對宇宙的極限曲率非常感興趣：在最宏大的尺度上，平行線和三角形將如何表現(xiàn)?另一方面，這個問題之所以重要，是因為宇宙形狀與其最終命運關(guān)系緊密。我們用愛因斯坦的廣義相對論來理解宇宙，該理論指出，時空的內(nèi)容物會影響它的形狀，而形狀決定著內(nèi)容物如何移動。

幾何意義上平坦的宇宙會一直膨脹下去，而“封閉的”宇宙最終會收縮，導(dǎo)致大爆炸的逆轉(zhuǎn)，也就是所謂的大擠壓(Big Crunch，又稱大蹦墜)。

尋找最初的光

為了確定時空的幾何結(jié)構(gòu)，我們需要觀察各種各樣遙遠的光源，并確定這些光源發(fā)出的光是否在路徑上發(fā)生了重大偏差。在數(shù)十億年的時間里，光束應(yīng)該保持在直線上，這樣我們就可以用遙遠的探測器“撫平”由星系和黑洞引起的微小顛簸和擺動，并觀察宇宙真實的、潛在的幾何結(jié)構(gòu)。

讓我們來看一下宇宙微波背景(cosmic microwave background，簡稱CMB)，這是“我們宇宙中最古老的光”，充滿整個宇宙，從宇宙還處于嬰兒狀態(tài)(只有38萬歲)時遺留至今。在過去的138億年里，這些光一直在向著我們“飛奔”，因此可以通過研究宇宙微波背景的特征來確定宇宙是否平坦。

普朗克衛(wèi)星是美國國家航空航天局(NASA)和歐洲空間局(ESA)合作的計劃，其設(shè)計目標是以史無前例的高解析度獲取宇宙微波背景輻射在整個天空的各向異性圖。普朗克衛(wèi)星確實很好地完成了任務(wù)，將宇宙微波背景的測量精度提高到最高水平，最新的數(shù)據(jù)在2018年發(fā)布。

如果分析普朗克衛(wèi)星記錄的宇宙微波背景輻射的原始數(shù)據(jù)，你會發(fā)現(xiàn)宇宙似乎更傾向于封閉。這些測量結(jié)果還沒有顯著到足以被認為是定論，但仍然具有啟發(fā)性。這很有趣，因為目前通過大爆炸理論所了解的一切都表明，我們的宇宙應(yīng)該是非常、非常平坦的。

發(fā)生了什么?根據(jù)普朗克衛(wèi)星的數(shù)據(jù)，我們有兩個可能的選項：

(1)普朗克衛(wèi)星數(shù)據(jù)表明了事實，宇宙可能是彎曲的;

(2)普朗克衛(wèi)星的數(shù)據(jù)欺騙了我們，要么是儀器本身出了問題，要么是其他一些天文來源(例如討厭的星際塵埃)使宇宙看起來是彎曲的，但實際上，宇宙仍是平坦的。

普朗克項目合作團隊進行了大量的分析和檢查，得出的結(jié)論是，我們的宇宙確實是平坦的，但一些外來的污染影響了數(shù)據(jù)，使宇宙看起來是彎曲的。

然而，在近期的研究中，有三位天文學(xué)家進行了自己的分析，得出了相反的結(jié)論：普朗克衛(wèi)星數(shù)據(jù)并沒有騙人，宇宙確實是彎曲的。

答案到底是什么?

目擊者

隨便問一個偵探，他們都會告訴你，目擊者的證詞總是靠不住的。你需要多個互不相關(guān)的人對同一件事給出類似的描述，然后才能描繪出一幅可靠的畫面。因此，為了確定普朗克衛(wèi)星是否欺騙了我們，我們需要詢問其他一些“目擊者”。值得慶幸的是，宇宙學(xué)家有很多可以借鑒的東西，豐富的測量結(jié)果可以告訴我們宇宙的實際曲率。

普朗克團隊采取了一種直截了當(dāng)?shù)姆椒?。研究人員結(jié)合了來自普朗克衛(wèi)星的數(shù)據(jù)與其他觀測的數(shù)據(jù)，以一種統(tǒng)計上合理的方式將它們混合，通過結(jié)合之后的數(shù)據(jù)集來探究宇宙曲率。最后的答案是：根本沒有曲率;我們生活在一個扁平的宇宙中。

普朗克團隊的研究人員稱，他們自己的數(shù)據(jù)在曲率方面并不完全可靠，宇宙微波背景的測量必須與其他宇宙探測器結(jié)合起來，才能得到準確的答案。

但是，那三位天文學(xué)家采取了不同的方法。他們相信普朗克衛(wèi)星的數(shù)據(jù)表明了事實，即宇宙是彎曲的。因此，當(dāng)他們把其他探測器的數(shù)據(jù)混合起來時，他們發(fā)現(xiàn)了結(jié)果存在矛盾，因為其他探測器的數(shù)據(jù)表明，我們生活在一個平坦的宇宙中。因此，我們需要很小心地找出造成這一矛盾的原因。

那么，普朗克衛(wèi)星數(shù)據(jù)對我們?nèi)鲋e了嗎?普朗克協(xié)作團隊說，是的;而這三位天文學(xué)家(剛好也是普朗克合作項目的成員)給出了否定的答案。傳統(tǒng)的宇宙膨脹模型指向的是一個平坦的宇宙，這也是大多數(shù)科學(xué)家支持“平坦宇宙”的首要原因。雖然彎曲的宇宙看起來不太可能，但只有更多的數(shù)據(jù)和更深入的分析才能解決這個爭論。

關(guān)鍵詞：

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