正在阅读:宇宙有边么?它是个什么形状?
首页> 科普频道 > 正文

宇宙有边么?它是个什么形状?

来源:光明网2019-12-09 10:41

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  宇宙是闭合的?还是开放的?这不仅是大众喜欢的问题,也是长久以来令无数哲人智士所痴迷的重要科学问题。最近,迪瓦伦蒂诺、梅尔基奥里和西尔克三位宇宙学家,根据最新的观测数据考察了宇宙的形状问题。他们发现宇宙很可能是闭合的,这对以往天文学家公认的平坦的标准宇宙学模型提出了挑战。

  爱因斯坦早在1917年,也就是在他建立了描绘引力的场方程之后的第二年,就开始从场方程出发,研究宇宙的起源问题。爱因斯坦认为,在宇宙尺度上,物质分布应该是均匀和各向同性的。为此,他提出了著名的宇宙学原理。事实证明,这个原理与后来的天文观测惊人地一致。在宇宙学原理的基础上,爱因斯坦建立了一个闭合的、有限的宇宙模型。由于爱因斯坦认为,宇宙在大尺度上不仅是均匀和各向同性的,而且应该是静态的,所以他构建的是一个静态的闭合宇宙模型。

  1922年,俄国科学家弗里德曼通过求解爱因斯坦场方程,发现宇宙不一定是静态的,它可以是膨胀的。他根据宇宙学原理,发现爱因斯坦场方程有三种形式的解: 膨胀的三维欧几里得空间、膨胀的三维球和膨胀的三维伪球。

  三维欧几里得空间就是我们在日常生活中“感知”的三维平直空间,只是我们“感知”不到它的膨胀。三维球不是类似于实心铅球的东西,而是这样一个三维空间:在这个空间,你去掉任何一个维度,得到的都是一个二维的球面,所以它是闭合的、有限的。三维伪球的截面则可以是二维的马鞍面,所以它是开放的、无限的。总之,根据宇宙学原理,空间有且仅有这三种形式。

宇宙有边么?它是个什么形状?

  图1:平直时空示意图

  随后众多的天文观测表明,宇宙在空间上是非常接近平直的。这意味着你去掉任何一个维度,得到的都是无穷大平面。所以,我们的宇宙空间应该是开放的、无限的。1980年,美国科学家阿伦.古斯提出暴胀理论,很好地解释了宇宙的这种空间平直性。暴胀理论告诉我们,宇宙在诞生之初,曾经发生过一次剧烈的体积膨胀过程。

  具体地讲,我们的宇宙从尺度为一亿亿亿亿分之一毫米, 瞬间膨胀到了百分之一毫米, 体积膨胀了1090倍。这个倍数相当于把普通气球吹到当今宇宙(137 亿光年)那么大(见图二)。如果这个气球的表面有一只小蚂蚁,那么它一定认为自己是趴在一个平面上。所以,即使宇宙这个“床单”最初非常皱,经过暴胀,也会被抻的非常平。暴胀结束,宇宙先后进入热膨胀和以物质为主的膨胀过程。到今天,宇宙处在物质(暗物质)和暗能量共同主宰但暗能量主导的加速膨胀阶段。总之,暴涨理论加上平坦宇宙的标准宇宙学模型深入人心,几乎成了大家的共识——我们的宇宙是平直的,是开放的。

宇宙有边么?它是个什么形状?

  图2:宇宙暴胀大约是相当于将普通气球吹成现今宇宙大小

  另一方面,在科学的发展史上,我们经常看到一个非常有趣的现象:事出反常必有“妖”,极个别反常的现象往往引导人们做出一些伟大的发现。例如:黑体辐射的紫外灾难促使普朗克提出量子论,迈克尔逊-莫雷光速实验的异常结果与狭义相对论的诞生息息相关,水星近日点的反常运动需要爱因斯坦构建广义相对论来解释,测量星系旋转曲线得到的反常结果促使兹威基考虑宇宙中存在着暗物质,宇宙膨胀速度的反常(加速)促使人们猜测宇宙中存在暗能量。

  反常总是连连,惊喜总是不断。在2018年发布的Planck宇宙微波背景谱上,人们又发现了一个反常,一个由引力透镜导致的反常的振幅增高。这个增高是以平直宇宙为基础的标准宇宙学模型所不能解释的。这促使迪瓦伦蒂诺、梅尔基奥里和西尔克三位宇宙学家重新审视我们宇宙的形状问题。他们发现,如果摒弃标准宇宙学的平直宇宙思想,代之以一个有限的、闭合的宇宙,则不仅可以很好地解释这种反常,而且可以大大缓和哈勃常数的危机,真可谓一举两得。目前,这一重要思想已经在本年度11月4日的《自然天文学》上发表。

宇宙有边么?它是个什么形状?

  图3:我们生活在一个闭合的宇宙中

  宇宙微波背景辐射,堪称宇宙中最古老的物质,它是宇宙“大爆炸”产生的热辐射。2018年发布的Planck卫星的宇宙微波背景辐射天图,是迄今人类对微波背景做出的最精确的测量。因此,对于在背景谱上发现的反常振幅增高,人们必须严肃对待。

  另一方面,自2018年始,关于哈勃常数的危机正在深深地困扰着宇宙学家。这一危机是说,基于平直宇宙思想,对Planck宇宙微波背景辐射谱做分析,得出今天的哈勃常数为66.9±0.6km/s/Mpc(Mpc代表3260000光年)或1.230.01m/m/l.y, (即现今宇宙在1光年的尺度上膨胀速度为每分钟1.23米)。而通过对造父变星光谱的分析,得出今天的哈勃常数为73.4±1.4km/s/Mpc或1.350.03m/m/l.y,二者相差3个标准差,意味着在统计意义上存在着难以理解的巨大差异。相反,如果摒弃平直宇宙的思想,重拾闭合宇宙的观点,则这一巨大差异将被显著消除。

  总之,2018年发布的Planck宇宙微波背景谱上的反常振幅增高,是以平直宇宙为基础的标准宇宙学模型所不能解释的。相反,一个闭合的、有限的三维球宇宙,则不仅可以很好地解释这一增高,而且可以极大地缓和近几年的哈勃常数危机。如果进一步的研究确认迪瓦伦蒂诺、梅尔基奥里和西尔克的发现,也就是我们生活的宇宙空间竟然不是膨胀的三维欧几里得空间,而是一个膨胀的闭合三维球!这不仅仅是一次时空观念上的根本转变,而且又一次给宇宙学带来了深刻的危机,因为之前基于平直宇宙所做的努力都需要重新审视。

  作者:高长军,系中国科学院国家天文台研究员,研究方向包括黑洞、引力波和宇宙暗能量理论。

[ 责编:蔡琳 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 甘肃敦煌:全力迎战洪水过境

  • 云南西畴:万寿菊丰收

独家策划

推荐阅读
近日,2026年亚太经合组织(APEC)数字和人工智能部长会议在四川成都举行,各种前沿科技产品集中亮相,“智能范儿”十足,吸引了中外观众纷纷驻足体验、拍手称赞。
2026-07-30 03:00
珠江口东岸,潮生不息,长风浩荡。前海石静立海边,近处草木葱茏,远处楼宇拔节。十多年前,这里还是一片滩涂;今天,一座现代化国际化滨海新城拔地而起。
2026-07-30 02:10
近日,中国长征十号乙运载火箭成功首飞,并实现全球首次网系回收。这一突破,不仅验证了重复使用火箭的关键技术,也为未来大幅降低卫星等航天器的发射成本打下了基础。
2026-07-30 03:00
“古籍虫蛀霉变触目惊心,传统修复周期漫长——能不能用AI让古籍校勘更快一些?”这是河北东方学院2022级文物与博物馆学专业学生罗钰姿在一次专业课上萌生的念头。
2026-07-30 02:20
近日,中央网络安全和信息化委员会印发《深化互联网协议第六版(IPv6)技术创新和融合应用实施方案(2026—2030年)》,围绕技术研发、行业融合应用、安全保障等十大领域系统布局,制定了36项具体任务,着力推动我国IPv6从规模部署迈向全面赋能。
2026-07-30 02:20
种业振兴,核心在创新。加强种业知识产权保护,是对育种创新的最大激励,也是加快推进种业振兴的有力保障。
2026-07-29 03:05
十四五”时期,生态环境部分区域、分批次完成全国452处国家级自然保护区生态环境保护成效评估,以及首轮全国生态保护红线保护成效五年评估。
2026-07-29 03:05
近日,印度最大核电站库丹库拉姆核电站被曝泄露大量敏感文件。勒索软件组织World Leaks将包括部分设施蓝图、供应商信息、设备评估报告等约1.9万份、总计14.3吉字节的敏感文件挂上其站点,
2026-07-29 03:05
习近平总书记在山东省德州市考察时强调,要“以扎实举措做好各项工作,着力提升农业综合生产能力和质量效益,确保粮食等重要农产品稳定供给,因地制宜推进宜居宜业和美乡村建设,引导广大农民群众用勤劳和智慧创造更加美好生活”。
2026-07-29 03:05
在国新办28日举行新闻发布会上,商务部副部长鄢东表示,看待产能问题,要秉持全面、客观、公正的态度,更不能以此为名,行保护主义之实。
2026-07-29 03:05
28日,中央广播电视总台首届智能机器人应用技能大展在京启动。活动现场,中国机械工业联合会携手总台央视新闻发布了《中国工业机器人市场活力数据》。
2026-07-29 03:05
国家统计局27日发布数据显示,今年上半年,全国规模以上工业企业营业收入同比增长6.5%,较一季度加快1.5个百分点。营业收入加快增长,
2026-07-28 04:15
推动科技创新与产业创新深度融合,是培育新质生产力、构建现代化产业体系,实现高水平科技自立自强的关键路径。习近平总书记深刻指出“人才资源是第一资源,
2026-07-28 04:25
作为走进企业的“科技副总”,浙江大学周鸣川研究员与某民营医疗机构共建联合实验室,推动眼科手术机器人进入国家创新审批通道;浙江农林大学王翀教授与杭州某饲料企业深度合作,
2026-07-28 04:25
未来,如何让当地群众在世界遗产保护工作中获益?为此,记者专访了东亚—澳大利西亚候鸟迁徙研究中心主任、黄(渤)海候鸟栖息地申遗首席专家雷光春。
2026-07-28 04:20
缺硼会让庄稼“烂根绝收”,全球超百种作物依赖硼肥才能保证产量。
2026-07-28 04:20
刘文郡:中国启动“人工智能+”行动,通过协同推进传统产业改造升级、新兴产业培育壮大与未来产业前瞻布局,让人工智能深度赋能千行百业。中国相继提出《全球人工智能治理倡议》《“人工智能+”国际合作倡议》,发布《人工智能能力建设普惠计划》《人工智能合作发展行动计划》,倡议成立世界人工智能合作组织。
2026-07-27 09:31
7月26日18时,水利部和中国气象局联合发布红色山洪灾害气象预警,江西南部、广东中北部局地发生山洪灾害可能性很大(红色预警)。涂勇介绍,主汛期山区降雨突发性强、峡谷汇水迅猛,进山务必提前关注山洪、暴雨预警,收到预警应立即取消行程。
2026-07-27 09:29
7月26日凌晨,今年第12号台风“红霞”在广东惠州市惠东县平海镇沿海登陆。”  针对台风远距离水汽输送导致的暴雨预报难题,气象部门采用集合预报方法,通过多个模式、多个初始场的集成分析,量化预报的不确定性。
2026-07-27 09:28
加载更多