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宇宙的形狀超乎你想象

2019-12-24 中國科學報
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  宇宙是什么形狀?它是閉合的,還是開放的?這不僅是一個令大眾感到好奇的話題,也是長久以來令無數哲人智者癡迷的重要科學問題。最近,英國曼徹斯特大學宇宙學家埃萊奧諾拉·迪瓦倫蒂諾、意大利羅馬大學宇宙學家亞歷山德羅·梅爾基奧里、美國約翰斯·霍普金斯大學宇宙學家約瑟夫·西爾克根據最新觀測數據考察了宇宙的形狀問題。他們發現宇宙很可能是閉合的,這對以往天文學家公認的平坦的標準宇宙學模型提出了挑戰。
  早在1917年,也就是愛因斯坦建立了描繪引力的場方程之后的第二年,他開始從場方程出發,研究宇宙的起源問題。愛因斯坦認為,在宇宙尺度上,物質分布應該是均勻和各向同性的。為此,他提出了著名的宇宙學原理。事實證明,這個原理與后來的天文觀測驚人的一致。在宇宙學原理的基礎上,愛因斯坦建立了一個閉合的、有限的宇宙模型。愛因斯坦認為,宇宙在大尺度上不僅是均勻和各向同性的,而且應該是靜態的,所以他構建的是一個靜態的閉合宇宙模型。

  1922年,俄國科學家弗里德曼通過求解愛因斯坦場方程,發現宇宙不一定是靜態的,它可以是膨脹的。他根據宇宙學原理,發現愛因斯坦場方程有三種形式的解: 膨脹的三維歐幾里得空間、膨脹的三維球和膨脹的三維偽球。三維歐幾里得空間就是我們在日常生活中感知的三維平直空間,只是我們“感知”不到它的膨脹。三維球不是類似于實心鉛球的東西,而是一個三維空間,在這個空間,去掉任何一個維度,得到的都是一個二維的球面,所以它是閉合的、有限的。三維偽球的截面則可以是二維的馬鞍面,所以它是開放的、無限的??傊?,根據宇宙學原理,空間有且僅有這三種形式。

  隨后眾多的天文觀測表明,宇宙在空間上是非常接近平直的。這意味著去掉任何一個維度,得到的都是無窮大平面。所以,我們的宇宙空間應該是開放的、無限的。1980年,美國科學家阿倫·古斯提出暴脹理論,很好地解釋了宇宙的這種空間平直性。暴脹理論告訴我們,宇宙在誕生之初,曾經發生過一次劇烈的體積膨脹過程。

  具體地講,我們的宇宙從尺度為一億億億億分之一毫米,瞬間膨脹到了百分之一毫米, 體積膨脹了1090倍。這個倍數相當于把普通氣球吹到當今宇宙(137 億光年)那么大。如果這個氣球的表面有一只小螞蟻,那么它一定認為自己是趴在一個平面上。所以,即使宇宙這個“床單”最初非常皺,經過暴脹,也會被抻得非常平。暴脹結束,宇宙先后進入熱膨脹和以物質為主的膨脹過程。到今天,宇宙處在物質(暗物質)和暗能量共同主宰,但暗能量主導的加速膨脹階段??傊?,暴脹理論加上平坦宇宙的標準宇宙學模型深入人心,幾乎成了大家的共識——我們的宇宙是平直的、開放的。

  另一方面,在科學發展史上,我們經??吹揭粋€非常有趣的現象:事出反常必有“妖”,極個別反常的現象往往引導人們做出一些偉大的發現。例如:黑體輻射的紫外災難促使普朗克提出量子論;邁克爾遜—莫雷光速實驗的異常結果與狹義相對論的誕生息息相關;水星近日點的反常運動需要愛因斯坦構建廣義相對論來解釋;測量星系旋轉曲線得到的反常結果啟發茲威基考慮宇宙中存在著暗物質;宇宙膨脹速度的反常(加速)促使人們猜測宇宙中存在暗能量。

  反??偸沁B連,驚喜總是不斷。在2018年發布的普朗克宇宙微波背景譜上,人們又發現了一個反常,一個由引力透鏡導致的反常的振幅增高。這個增高是以平直宇宙為基礎的標準宇宙學模型所不能解釋的。這促使迪瓦倫蒂諾、梅爾基奧里和西爾克三位宇宙學家重新審視宇宙的形狀問題。他們發現,如果摒棄標準宇宙學的平直宇宙思想,代之以一個有限的、閉合的宇宙,則不僅可以很好地解釋這種反常,而且可以大大緩和哈勃常數的危機,真可謂一舉兩得。目前,這一重要思想已經在2019年11月4日《自然—天文學》發表。

  宇宙微波背景輻射,堪稱宇宙中最古老的物質,它是宇宙“大爆炸”產生的熱輻射。2018年發布的普朗克衛星的宇宙微波背景輻射天圖,是迄今人類對微波背景做出的最精確的測量。因此,對于在背景譜上發現的反常振幅增高,人們必須嚴肅對待。

  另一方面,自2018年始,關于哈勃常數的危機正在深深地困擾著宇宙學家。這一危機指的是,基于平直宇宙思想,對普朗克宇宙微波背景輻射譜做分析,得出今天的哈勃常數為66.9±0.6km/s/Mpc(Mpc代表3260000光年)或1.230.01m/m/l.y(即現今宇宙在1光年的尺度上膨脹速度為每分鐘1.23米)。而通過對造父變星光譜的分析,得出今天的哈勃常數為73.4±1.4km/s/Mpc或1.350.03m/m/l.y,二者相差3個標準差,意味著在統計意義上存在著難以理解的巨大差異。相反,如果摒棄平直宇宙的思想,重拾閉合宇宙的觀點,則這一巨大差異將被顯著消除。

  總之,2018年發布的普朗克宇宙微波背景譜上的反常振幅增高,是以平直宇宙為基礎的標準宇宙學模型所不能解釋的。相反,一個閉合的、有限的三維球宇宙,則不僅可以很好地解釋這一增高,而且可以極大地緩和近幾年的哈勃常數危機。如果今后進一步的研究能夠證實迪瓦倫蒂諾、梅爾基奧里和西爾克的發現,那么我們生活的宇宙空間就不是一個膨脹的三維歐幾里得空間,而是一個膨脹的閉合三維球!這不僅又一次給宇宙學帶來了深刻的危機——因為之前基于平直宇宙所做的努力都需要重新審視——同時這也將是一次時空觀念的根本轉變。

 ?。ㄗ髡撸焊唛L軍,系中國科學院國家天文臺研究員)

打印 責任編輯:侯茜

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