宇宙的形状是什么?

宇宙可能很大,但研究人员有多个证据可以揭示它的形状。

宇宙可能很大,但研究人员有多个证据可以揭示它的形状。 (图片来源:Getty Images 提供的 Weiquan Lin)
宇宙可能很大,但研究人员有多个证据可以揭示它的形状。 (图片来源:Getty Images 提供的 Weiquan Lin)

宇宙可能看起来无形,因为它是如此浩瀚,但它确实有一种天文学家可以观察到的形式。 那么,它的形状是怎样的呢?

物理学家认为宇宙是平的。 专家说,有几条证据指向这个平坦的宇宙:大爆炸遗留下来的光、宇宙在不同位置的膨胀率,以及宇宙从不同角度“看起来”的方式。

David Spergel是普林斯顿大学的理论天体物理学家和天体物理学名誉教授,几十年来一直在探索宇宙的形状。 在 2003 年发表在《天体物理学杂志》上的一项研究中,Spergel 测量了宇宙微波背景 (CMB) 中的不规则性,这是大爆炸遗留下来的光,美国宇航局的威尔金森微波各向异性探测器 (WMAP) 和后来的观测者 由欧洲航天局的普朗克航天器发射。

平坦宇宙中的正能量和负能量的量完全相同,因此相互抵消。 如果宇宙有曲率,一个曲率会比另一个曲率高。 “平坦的宇宙对应于零能量的宇宙,”斯佩格尔说。

在这种情况下,CMB 波动的 WMAP 测量表明宇宙既无限又平坦。 Spergel 还将这些测量结果与欧洲航天局的普朗克航天器所做的测量结果进行了比较,后者进一步限制了宇宙可能呈现的形状。

“我们可以测量带有一些不确定性的曲率,所以我们可以说带有一些不确定性的曲率为零,”Spergel 说。 “虽然我们可以降低不确定性,但我们最多只能限制几何形状。”

Spergel 认为宇宙是平的的另一个原因是它的快速膨胀,这是由哈勃常数捕获的。因为宇宙从作为一个致密的物质球存在到以惊人的速度向外膨胀,所有的伸展都使它变得平坦,或者至少尽可能接近平坦。

宇宙平坦的证据也体现在所谓的临界密度上。根据澳大利亚斯威本科技大学的说法,在临界密度下,一个假设的宇宙将是平坦的并最终停止膨胀,但只有在无限时间之后。如果一个假想的宇宙比这密度更大,它就会像球体一样弯曲,并最终由于其引力而自行坍缩——一种被称为“大坍缩”的拟议现象。

但是对我们真实宇宙的所有测量都表明它刚好低于临界密度,这意味着宇宙既是平坦的又会无限膨胀。

另一个证据表明宇宙是平的:它是各向同性的,这意味着它从各个角度看起来都一样。俄罗斯核研究所的物理学家 Anton Chudaykin和他的同事研究了有关常规或“重子”物质振荡的数据,以及比氢重的原子核的模型大爆炸后不久创建,用于估计宇宙的曲率。

“在不同的几何结构中,物质和光的演化方式不同,这使我们能够从观测数据中提取宇宙的三维形状,”丘代金说。

这项发表在《物理评论 D》杂志上的研究发现,在 0.2% 的精度范围内,宇宙是平坦的。“我们收集的数据表明空间曲率与零一致,”研究人员在研究中写道。 “这意味着我们的宇宙在统计不确定性范围内是无限的。”

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