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宇宙的形狀超乎你想象

2019-12-24 中國科學报
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  宇宙是什麽形狀?它是閉合的,還是開放的?這不僅是一個令大衆感到好奇的話題,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曆山德羅·梅爾基奧裏、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准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後的第二年,他開始從場方程出發,研究宇宙的起源問題。愛因斯坦認爲,在宇宙尺度上,物質分布應該是均勻和各向同性的。爲此,他提出了著名的宇宙學原理。事實證明,這個原理與後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。愛因斯坦認爲,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,而是一个三维空间,在这个空间,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。

  隨後衆多的天文觀測表明,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。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,也会被抻得非常平。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,暴胀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、开放的。

  另一方面,在科學發展史上,我們經常看到一個非常有趣的現象: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啓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。

  反常總是連連,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爲基礎的標准宇宙學模型所不能解釋的。這促使迪瓦倫蒂諾、梅爾基奧裏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,如果摒棄標准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”産生的熱輻射。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爲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爲每分鍾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爲73.4±1.4km/s/Mpc或1.350.03m/m/l.y,二者相差3個標准差,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,是以平直宇宙爲基礎的標准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。如果今後進一步的研究能夠證實迪瓦倫蒂諾、梅爾基奧裏和西爾克的發現,那麽我們生活的宇宙空間就不是一個膨脹的三維歐幾裏得空間,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——因爲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。

  (作者:高长军,系中國科學院国家天文台研究员)

打印 責任編輯:侯茜

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