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最新研究發現:宇宙,可能不是無邊無際的

2019-11-08 22:18:24 N軟網 N軟 編輯:琳達 瀏覽數:36智學網

當這個神秘數字從5.7變成6,我們對宇宙形狀的猜想也就改變了…… 對于宇宙的形狀,物理學家曾經有著諸多想象。現在,一項最新研究通過對普朗克衛星的數據分析指出,宇宙可能是一個封閉的三維球面。 宇宙空間形狀示意圖 (圖片來源...

當這個神秘數字從5.7變成6,我們對宇宙形狀的猜想也就改變了…… 對于宇宙的形狀,物理學家曾經有著諸多想象。現在,一項最新研究通過對普朗克衛星的數據分析指出,宇宙可能是一個封閉的三維球面。


宇宙空間形狀示意圖 (圖片來源:quantamagazine)

這推翻了近年來的一個主流觀點,即宇宙是無邊無際的平坦三維空間。而這個全新結論的得出,涉及到一個決定了宇宙形狀的關鍵數字: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?對于宇宙的輪廓,人類曾有諸多天馬行空的幻想。但在愛因斯坦將宇宙學原理應用到宇宙學研究之后,宇宙的形狀就受到了嚴格的限制。宇宙學原理要求宇宙空間每一點的地位都是平等的,所以宇宙空間不可能有很奇怪的拓撲結構——舉一個反例,宇宙不可能長成自行車內胎這樣,因為內胎外側的點與內側的點地位顯然不一樣。

所以,考慮到宇宙學原理作出的限制,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,那么它是一個封閉的三維球面;如果宇宙空間的曲率是零,那么它是一個無邊無際的平坦三維空間;如果宇宙空間具有負曲率,那么它同樣沒有邊際,是一個三維的馬鞍面。

所以,從這個意義上來說,宇宙空間的形狀由曲率決定。而根據愛因斯坦的廣義相對論,宇宙空間的曲率取決于宇宙中物質場的分布。所以,只要測準了宇宙中的物質場的分布,那么就能推斷出宇宙空間的形狀。

現在,普朗克衛星為這個問題的解決提供了新的依據。在一項發表于《自然·天文學》的最新論文中,曼徹斯特大學的埃萊奧諾拉·瓦倫蒂諾 (Eleonora Di valentino)、意大利薩皮恩扎大學的亞歷山德羅·梅爾奇奧(Alessandro Melchiorri?)和牛津大學的約瑟夫·西爾克(Joseph Silk),根據衛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,宇宙空間是一個封閉的三維球面。

臨界密度是關鍵

那么,物理學家如何判斷宇宙空間的形狀呢?

對于宇宙空間來說,存在一個決定其形狀的分界線,這個分界線就是宇宙的臨界密度。

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

根據哈勃常數計算得知,這個臨界密度等于每立方米約5.7個質子質量。

作為對比,我們知道在太陽系內,僅僅暗物質的密度就有每立方米3萬個質子質量。所以,太陽系的密度遠高于宇宙臨界密度。但因為宇宙中其他地方(例如星際空間)的物質分布很稀薄,所以平均起來的臨界密度肯定沒太陽系內那么高。需要注意的是,雖然太陽系內物質密度很高,所以在局部意義上肯定不是平坦空間;但在宇宙學尺度上,我們不必考慮太陽系大小,在宇宙學中,銀河系就是一個質點。討論宇宙空間是不是平坦的,是從宇宙學尺度考慮的。

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