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

  • 2025年世界互联网大会文化遗产数字化论坛举行

  • 电影《731》拍摄历程特展在哈尔滨举行

独家策划

推荐阅读
中国科学院大连化学物理研究所研究员陈萍、研究员曹湖军、副研究员张炜进团队在氢负离子导体开发及应用方面取得重要进展。
2025-09-18 09:52
工业遗址与科幻主题联动,带来现实与想象交错的奇妙感受;科技手段还原知名IP场景,让游客沉浸到小说里的名场面;利用独特地质地貌,打造“地球上最像火星的地方”……来一场新鲜、有趣的科幻游,成为不少人出游的选择之一。如何做好科幻与文旅深度融合,丰富旅游供给?各地因地制宜进行了探索。
2025-09-18 09:50
记者17日从中国石化新闻办获悉,部署在四川省资阳页岩气田的2口评价井测试产量均超百万立方米,其中资页2-501HF井试获日产气140.7万立方米,刷新我国页岩气测试产量最高纪录。
2025-09-18 09:44
当今中国,科学教育受到前所未有的重视—作为人才培养的根基与路径,科学教育的潜力将变成参与国际竞争、争取国际话语权的实力。
2025-09-18 09:43
日前,由中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所牵头承担的聚变堆主机关键系统综合研究设施(CRAFT)遥操作系统测试平台通过专家组测试与验收。
2025-09-18 09:40
“科创游”是一种将科技与旅游相结合的新型旅游形式,不仅展示科技企业的生产过程和产品,还注重科技教育的普及和科技创新的体验
2025-09-17 10:23
此次大会将讨论通过“人与生物圈计划”及其世界生物圈保护区网络杭州战略行动计划,明确未来十年的发展方向、目标和行动方案
2025-09-17 10:21
人造地球卫星、载人飞船、空间站、空间探测器要“上天”进入预定轨道,运载火箭少不了。在“火箭家族”展台,长征一号至五号运载火箭模型笔直而立。
2025-09-17 10:20
在化学生物学研究中,有一种强大的“分子地图绘制技术”——邻近标记技术。在癌症免疫治疗中,免疫细胞需要足够强和足够多的“信号”才能发起攻击,但癌细胞表面的天然信号往往非常稀疏。
2025-09-17 10:18
当前,秋粮陆续进入成熟期。各地抓住最后的窗口期,落实落细各项增产措施,全力以赴抓好秋粮生产,确保秋粮丰产丰收。
2025-09-17 09:32
人工智能的浪潮正在席卷从科技到教育,乃至全社会的各个角落,中国教育界正在积极推动学习和应用人工智能,以便乘势站在时代前列。今年6月,中国工程院院士、华中科技大学校长尤政提出,人工智能和批判性思维结合形成DNA式的“双螺旋结构”,将有力推动创新。
2025-09-16 09:14
15日,在2025年国家网络安全宣传周主论坛上,《人工智能安全治理框架》2.0版正式发布。落实《全球人工智能治理倡议》,《人工智能安全治理框架》1.0版于2024年9月发布,受到国内外广泛关注。
2025-09-16 09:13
光明日报北京9月15日电 记者陈晨从农业农村部获悉,2025畜禽种业发展论坛14日在北京市平谷区举行。论坛发布了第三次全国畜禽遗传资源普查、濒危畜禽遗传资源保护成效、主要畜种分子身份证构建和遗传评估优秀种公畜等重大成果,举办了畜禽种业振兴成果展,26家单位现场推介新技术、新设备、新成果,72家单位进行专场展示。
2025-09-16 09:13
数智技术以及数智互联技术将推进青年间社会化协同与知识共享,可精准连接青年学习者,并形成跨地域的学习社群与项目协作组。总而言之,数智技术能够为青年群体参与终身学习创造良好条件,能够充分激发青年群体参与终身学习的动力,能够更好地帮助青年群体全面发展。
2025-09-16 09:12
作者:王 珩、程松泉,分别系浙江师范大学教师教育学院教授;浙江师范大学教师教育学院博士生  当前,全球教育正经历一场由人工智能技术驱动的深刻变革。唯有坚守育人初心,在伦理框架内审慎推进技术应用,才能让人工智能真正成为引领教育发展的引擎,而非解构教育本质的飓风。
2025-09-16 09:11
在合成生物学和气候变化应对领域有巨大潜力。
2025-09-16 09:11
走进展区,多款新潮文创让人爱不释手;戴上设备,苏轼笔下的诗词世界任人遨游;指尖轻点,三千年前的青铜器“触手可及”……一系列新产品、新服务、新场景在2025年中国国际服务贸易交易会文旅服务专题亮相,漫步其中,处处感受到科技与创意奔涌、文化和旅游融合的无限活力。
2025-09-15 09:54
在2025年中国国际服务贸易交易会上,一批品类丰富、兼具趣味与文化内涵的文创精品成为展会现场的“人气王”,引爆观展热潮。
2025-09-15 09:54
最大网络基础设施的建成有助于我国突破关键技术的“卡脖子”困境,形成自主可控的核心技术优势,建立起数字经济产业的第二创新生态。 (作者:戎 珂,系清华大学社会科学学院经济学研究所所长、长聘教授;田晓轩,系清华大学社会科学学院经济学研究所博士研究生)
2025-09-15 09:53
今年暑期,工厂游火爆出圈。参观名额秒空、门票收入可观、社交平台相关笔记有10多万条,工厂游俨然成了文旅界新宠。 工厂游等新型旅游业态,实现了工业与文旅的跨界融合,也为文旅经济的发展提供了新增长点。
2025-09-15 09:52
加载更多