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

  • 浙江杭州:市民手写春联福字迎新春

  • 贵州六盘水:“南国雪乡”吸引游客

独家策划

推荐阅读
从7日在京召开的全国知识产权局局长会议上了解到,根据世界知识产权组织最新发布的《2025年全球创新指数报告》,我国“综合排名进前十、单项排名‘双第一’”。
2026-01-08 02:20
近日,中央农村工作会议在北京召开。会议强调,“加强农业关键核心技术攻关和科技成果高效转化应用,因地制宜发展农业新质生产力”,为做好“三农”工作提供了重要指引。
2026-01-08 02:20
时序轮转一甲子,肇始于一间实验室的中国科技考古,历经六十载深耕求索,终从一片学术荒原,昂首跻身世界学科前沿之列。六十年来,中国科技考古依靠工作者们的汗水、智慧与坚守,写成一段传奇。
2026-01-08 02:20
冰冷坚硬的金属骨架、精确运转的齿轮电机……这,是不是你脑中的“机器人”?其实,还有一种机器人:它们没有坚硬的躯壳,而是以柔软的身体探索世界,它们并不强壮,却不会轻易损坏——这,就是软体机器人。它们像章鱼、蚯蚓、水母等自然界生物一样灵动,能够弯曲、伸展、钻入狭缝,展现出前所未有的环境适应力。
2026-01-08 02:25
近日,工业和信息化部正式公布我国首批L3级有条件自动驾驶车型准入许可,两款分别适配城市拥堵、高速路段的车型将在北京、重庆指定区域开展上路试点。
2026-01-08 02:25
“激光不是自然光,它是人类创造的‘最准的尺’‘最利的刀’,更是能为人类需求精准调光的‘魔法师’。”1月6日,科学家精神百场讲坛在扬州大学开讲,中国科学院院士、天津大学教授姚建铨向现场听众分享了自己60年的科研历程与心得。
2026-01-07 02:30
以前医生判断大脑是否健康,需要进行磁共振检查,这个检查结果用的是西方人群的参考标准。
2026-01-07 02:30
从中国科学院大连化学物理研究所获悉,“面向空间应用的锂离子电池电化学光学原位研究”项目已在中国空间站内开展。神舟二十一号航天员乘组共同在轨操作该项目实验,其中,中国科学院大连化学物理研究所研究员张洪章作为载荷专家发挥了其专业优势。
2026-01-08 02:20
硫化氢气味如臭鸡蛋,在天然气开采、炼油、煤化工中大量产生。它不仅有毒,更是形成酸雨的“元凶”之一。据统计,我国每年待处理的硫化氢约80亿立方米,全球规模更是巨大。如何安全、彻底地处理它,一直是工业界面临的巨大挑战。
2026-01-07 02:30
从生态环境部获悉,日前,南京环境科学研究所秦卫华、李中林、王涛研究团队在《布拉格国家昆虫博物馆馆报》上发表研究成果——西藏吉隆发现猎蝽科猛猎蝽属新物种吉隆猛猎蝽,我国青藏高原生物多样性数据库再添新成员。
2026-01-07 02:30
“人类工程与大自然的完美融合!”不久前,贵州花江峡谷大桥刚刚建成通车便火遍全网,各地游客纷至沓来,只为感受新晋世界第一高桥的壮观雄伟。
2026-01-07 02:30
“一张网”的构建是我国测绘地理信息事业转型升级的生动实践。
2026-01-06 09:53
具身智能作为人工智能与机器人科学交叉的前沿领域,是新一轮产业变革的技术引擎。
2026-01-06 02:45
我国首次航天员洞穴训练日前在重庆市武隆区圆满结束,28名航天员参加了这次训练。
2026-01-06 02:45
近日,国务院办公厅印发《关于加快场景培育和开放推动新场景大规模应用的实施意见》,意见明确要求构建高水平矿山安全生产智能化应用场景。
2026-01-06 03:05
拔尖创新人才的培养成长,与平台和环境密切相关。记者注意到,与长期以来以竞赛选拔为主导的“关门培养”模式不同,近年来越来越多的中学、高校开始设立新型实验班。这些实验班面向更多学子敞开大门,以综合素质培养为落脚点实施个性化育人,为拔尖创新人才成长发展开辟了新空间。
2026-01-06 03:05
我是一名铁路机车调试工,在中国中车株洲电力机车有限公司干了33年,摸过超过一千万根线缆,听过约十万次受电弓升起的声音。这些年,我带过不少刚毕业的学生,也面试过很多从院校走出来的年轻人。他们理论扎实、认真仔细,但一上手调试真车,常常“当场犯懵”。我发现一个问题:学校教的和现场用的,中间隔着一道“看不见的墙”。
2026-01-06 03:05
面对市场机遇,产业链上市公司正加速卡位布局,以技术升级主动迎接L3级自动驾驶的商业化浪潮。
2026-01-05 09:13
接下来,我们计划测量能量范围更为宽泛的质子能谱,最终覆盖4个量级的能量区间。
2026-01-05 09:08
国务院关于促进科技成果转化工作情况的报告近日提请十四届全国人大常委会第十九次会议审议。报告显示,“十四五”以来,我国科技成果转化实现量质齐升,有效推动科技成果向现实生产力转化。
2026-01-05 03:30
加载更多