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

  • 广西全州:一家人守护烈士墓92年

  • 三峡南线船闸、葛洲坝二号船闸停航检修有序推进

独家策划

推荐阅读
征求意见稿提出,任何组织和个人提供、使用数字虚拟人服务,不得以丑化、污损等形式侵害他人人格权,未经特定自然人同意,不得提供足以识别特定自然人身份的数字虚拟人服务。
2026-04-03 17:59
近日,《关于加快建立长期护理保险制度的意见》(以下简称《意见》)印发。《意见》明确,用3年左右时间,基本建立适应我国基本国情的长期护理保险制度。
2026-04-03 10:07
春天,风媒花粉对过敏症患者尤其是患有慢性呼吸系统病人群的影响特别大,是过敏性哮喘的高发季节。
2026-04-03 10:04
个人信息保护法施行以来,中央网信办会同有关部门持续加大个人信息保护工作力度,查处各类违法违规处理个人信息行为,督促指导个人信息处理者不断提升合规水平,取得了积极成效。
2026-04-03 09:59
日前,福建龙岩长汀县远丰优质稻专业合作社正忙着把秧苗往田里送,并用机器进行插秧。一粒粒种子在智慧育秧工厂从孕育到出苗,直至送入农田进行机械化插秧,合作社负责人傅木清都看在眼里。
2026-04-03 09:53
据报道,在3月29日结束的世界超级摩托车锦标赛(WSBK)葡萄牙站WorldSSP组别中,我国摩托车制造商“张雪机车”在该站赛事双回合正赛中相继夺冠。说起“张雪机车”的成功,不得不提到中国的“摩托之都”重庆。
2026-04-03 09:50
在一间会议室里,记者找到了研究院副院长张金友。”  为了尽快解决这个“烧脑”的问题,这段时间,张金友和团队几乎每天井场、实验室、会议室三点一线。“如果说我们正在采的页岩油是已经蒸熟的‘米饭’,那低熟页岩油就是‘生米’,需要人工在地下为其加热,催化生成石油。
2026-04-03 09:47
历时多年攻关,刘河生带领团队不断改进脑功能区定位技术,实现快速精准绘制个体脑图,并研发出可无创干预脑区功能的设备,在帕金森等疾病治疗研究中取得重大进展。
2026-04-02 10:11
我国智能航运发展现状如何?“十五五”时期如何迈向国际先进水平?记者采访了交通运输部海事局及相关企业。
2026-04-02 10:07
科技创新是发展新质生产力的核心要素,加强原始创新和关键核心技术攻关,是抢占科技制高点、实现高水平科技自立自强的根本所在。
2026-04-02 10:04
近日,国家医保局发布《医疗保障基金使用监督管理条例实施细则》,于2026年4月1日起正式施行。
2026-04-02 10:03
国家卫健委和国家中医药局1日联合印发《关于开展基层医疗卫生机构医疗质量改善三年行动(2026—2028年)的通知》,推进基层医疗质量提升,推动实现分级诊疗“基层首诊”落地。
2026-04-02 10:01
人与自然和谐共生是中国式现代化的重要特征之一,守好碧海银滩,构建人海和谐的海洋生态环境是中国式现代化的题中应有之义。
2026-04-01 09:45
2021年长江十年禁渔实施以来,禁渔秩序总体平稳,退捕渔民生计有效保障,水生生物资源衰退趋势得到决定性扭转,长江水生生物完整性指数稳步提升,取得阶段性明显成效。
2026-04-01 09:44
“过去雷达网建设主要解决‘有没有’的问题,现在AI让这张网从‘能探测’升级为‘会思考’。”在张兴赢看来,“AI正在成为工程的‘第二大脑’。”
2026-04-01 09:43
硒是人体必需的微量矿质营养素。然而,我国约7亿人口存在硒摄入不足。
2026-04-01 09:42
强对流天气的形成是水汽条件、不稳定状态的大气层结构、地形等多种条件协同作用的结果,包括雷暴、短时强降水、大风、冰雹等天气现象,具有影响快、强度强、致灾性强的特点。
2026-04-01 09:39
3月30日,世界数据组织正式成立并落户北京,理事长由中国科学院院士谭铁牛担任。这不仅是对谭铁牛个人学术成就的认可,更是国际社会对中国数据发展和治理能力的充分肯定,是中国科学家提升全球科技治理话语权的生动缩影。
2026-03-31 10:23
教育部30日印发《校园食品安全“十必须”》《学校食堂工作人员“十不准”》,进一步筑牢校园食品安全防线,明确中小学、幼儿园食堂不得制售冷荤类食品、生食类食品、冷加工糕点,不得加工制作四季豆、鲜黄花菜、野生蘑菇、发芽土豆等高风险食品。
2026-03-31 10:22
30日19时00分,力箭二号遥一运载火箭在东风商业航天创新试验区发射升空,将搭载的新征程01卫星、轻舟初样试飞船和天视卫星01星顺利送入预定轨道,发射任务取得圆满成功。
2026-03-31 10:17
加载更多