18世纪,德国天文学家海因里希·威廉·奥尔伯斯提出了一个悖论:如果宇宙是无限的,那天空就不会是黑暗的,因为在任何方向都会有无限的空间,无限的空间里充满了发光的恒星。然而,我们看到的夜空并没有被整个照亮,这样说的话,宇宙就不应该是无限的。那么宇宙到底是什么形状的?科学家有过诸多猜想,这个疑问始终没有确切的答案。
11月上旬,《自然·天文学》杂志上的一篇颇具争议性的论文认为,宇宙可能如同球面一样蜷曲和封闭,而非现在普遍认可的宇宙学理论刻画的那样平直。论文作者重新分析了主要的宇宙学数据集并得出结论,仅从数据出发,我们的宇宙有99%的确定性是闭合的——即使其他证据显示,宇宙应该是平坦的。
两种思路探索
宇宙形状之谜
在上述论文中,英国曼彻斯特大学研究人员埃莱奥诺拉·瓦伦蒂诺等人通过对普朗克卫星的观测数据分析指出,宇宙可能不是像床单一样平坦,而是一个封闭的三维球面,就像个巨大的气球一样弯曲。
这篇论文指出,普朗克卫星观测的数据显然指向了封闭宇宙模型,这与其他支持平坦宇宙的证据之间的矛盾,揭示了当代的“宇宙学危机”,需要“重新思考”某些基础内容。
这里所说的“宇宙可能不是像床单一样平坦”,实际上就是著名的欧几里得几何学中的第五公设:过一点有且只有一条直线与已知直线平行。放到物理背景,就是两束平行的光将永远保持平行。而在正曲率空间——封闭宇宙模型中——不存在平行线,任何两条直线都会相交。
另一方面,宇宙的具体形状,很大程度上取决于物质的密度。如果宇宙中所有物质和能量(包括暗物质和暗能量)加起来的密度,恰好使向外膨胀的能量与向内引力的能量相平衡,那么空间将在所有方向上平坦地延伸。
宇宙学的主要理论被称为“宇宙膨胀假说”,膨胀产生了原始的平坦度。自2000年以来的各种观察表明,我们的宇宙几乎是平坦的,因此实际密度必然处于理论上的临界密度之内——经过数学计算,相当于每立方米约有5.7个氢原子的物质。
因为光速守恒,所以我们接收到的光线都来自过去——越远则历史越久。宇宙微波背景辐射(CMB)相当于宇宙早期的辉光,普朗克卫星接收过去138亿年里CMB,测量其在穿越宇宙空间时发生的偏转或“引力透镜效应”来估算宇宙的密度。根据分析,宇宙的密度可能比临界密度高约5%,即平均每立方米含6个氢原子,而不是5.7个,因此引力获胜,宇宙发生弯曲,最终将闭合成球。
此次研究中,埃莱奥诺拉·瓦伦蒂诺等人通过普朗克卫星观测得到宇宙微波背景辐射“引力透镜化”程度的数据基础,又分析了大量数据,采用不同的模型对这些数据进行拟合,相关计算得出宇宙是封闭球面的概率约为99%。
微波背景辐射
掀起宇宙神秘面纱
2013年,研究人员调查了大爆炸余晖的主要异常现象后提出,空间和时间的构造或许是像马鞍一样弯曲,这是对当时主流概念的颠覆。当时的主流概念认为光线和任何物体都是以直线在一个“平面”宇宙的时空中旅行。
但是在马鞍状宇宙中,任何似乎与其他物体平行旅行的物体都会在遥远的距离之后出现偏离。然而科学家警告称,这种异常的出现或许有着其他的解释。我们的宇宙或许在大爆炸不久之后就与其他宇宙发生了碰撞,或者这种异常有可能只是一种统计学意外。
研究人员在近十年间分析宇宙微波背景以及大爆炸余波释放的热量时,开始注意到这种异常现象。科学家们能够通过研究宇宙微波背景中冷热点的波动来更多地了解宇宙结构和发展。
美国宇航局威尔金森宇宙微波各向异性探测卫星(WMAP)收集到的数据意外表明,宇宙或许是不平衡的,宇宙一侧的冷热点比另一侧更加炎热和寒冷。随着时间的发展,这种异常的存在已经不断得到证实,而且欧洲航天局普朗克卫星的数据也证实存在同样的异常现象。
苏格兰爱丁堡大学的宇宙学家安德鲁·利德尔认为:“宇宙微波背景中观察到的异常现象,也有可能是早期宇宙发生新型物理过程的一种迹象。”纽约大学的一位理论物理学家并未参与到研究当中,他说道:“提高对宇宙曲率的理解是非常重要的,那种解释当然不能作为宇宙弯曲的直接证据,但是它是非常诱人的。”
安德鲁·利德尔则称:“大多数宇宙学家认为观察到的异常现象是一种统计学意外,而不是真正的宇宙特性。”到2014年,普朗克卫星的研究团队公布宇宙微波背景数据时,就有可能揭开这种异常现象究竟是不是意外了。如果宇宙的温度分布规律并不遵循贝尔曲线的话,马鞍形宇宙的观点或许就会得到支持。”
结果更可靠
但争论远未尘埃落定
科学家已经发现我们的宇宙年龄大约在137亿年,在暗能量的“驱动”下宇宙正处于加速膨胀的状态中,这是目前对宇宙状态的一种普遍性看法,但如果说宇宙处于膨胀之中,那么宇宙之外的“空间”是什么样的呢?宇宙膨胀的结果会是什么呢?任何一位天文学家都不能给出确切的答案,有研究认为宇宙之外的事件并不被定义,或者说宇宙之外发生的事件也可以是宇宙的一部分,这个问题显然不能通过传统的四维时空来思考,无论宇宙是无限还是有限的,在高维时空的框架下宇宙都没有边缘,更不用说宇宙的外面是什么了。
137亿年前的一次大爆炸中诞生了我们的宇宙,但是我们不能用三维空间的概念去想象这样的爆炸,因为我们所认为的爆炸是物质能量从一个很小的空间中“释放”出来,因此也就有了“里面”和“外面”之分。
有科学家设想:宇宙大爆炸的“思维简化版”可以通过蚂蚁和气球的思想实验来验证:一只蚂蚁在气球表面上爬行,对于蚂蚁而言气球在某个“微分”状态是个平面,蚂蚁认为它处于一个平面上,随着气球不断膨胀,气球逐渐有了更加明显的三维形状,而这只蚂蚁依然在巨大的气球表面上爬行,它显然不知道它目前处于一个三维空间的一个二维平面上,这就像适应三维空间的人类不知道自己处于高维空间的某个多维结构上。
假如这个气球代表了整个宇宙,那么星系就是在气球的表面上存在,气球不断膨胀的同时,气球表面上两个点的距离也会不断扩大,这就是我们现在所认为的“红移”,其结果是星系远离我们而去。有研究称,如果我们不断研制超级望远镜,可以看到非常非常遥远的宇宙,那么你有一天可能看到自己的后脑勺儿。宇宙加速膨胀对我们研究宇宙并不是个好消息,因为我们需要花更长的时间才能“绕”宇宙一圈,并重新返回原来的空间中,这个理论有一个非常哲学的推论:如果你的运动速度越快,那么你只是缩短返回原来状态的时间。
那么,这项研究结果可靠吗?宇宙形状的争论是否也就此尘埃落定?
有专家称,此次研究结论宇宙是封闭球面的结果相对更加可信。当然,此次研究中所采用的统计学研究并非无懈可击。但如果事实确实如此,那必然会推翻很多传统的认知。
(齐鲁晚报·齐鲁壹点记者 任志方 整理)
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