2019-11-13
最新研究发现:宇宙,可能不是无边无际的


世界空间形状示意图。图片来历:quantamagazine

  撰文:张华

  当这个奥秘数字从 5.7 变成6,咱们对世界形状的猜测也就改变了……

  关于世界的形状,物理学家从前有着许多梦想。现在,一项最新研讨经过对普朗克卫星的数据剖析指出,世界或许是一个关闭的三维球面。这推翻了近年来的一个干流观念,即世界是一望无垠的平整三维空间。而这个全新定论的得出,涉及到一个决议了世界形状的要害数字:世界临界密度。 

  世界空间的 3 种或许

  世界的形状是什么?世界是否存在鸿沟?关于世界的概括,人类曾有许多天马行空的梦想。但在爱因斯坦将世界学原理应用到世界学研讨之后,世界的形状就受到了严厉的约束。世界学原理要求世界空间每一点的位置都是相等的,所以世界空间不或许有很古怪的拓扑结构——举一个反例,世界不或许长成自行车内胎这样,由于内胎外侧的点与内侧的点位置显着不一样。

  所以,考虑到世界学原理作出的约束,那么单连通的世界形状就只剩余3 种或许性:假如世界空间具有正曲率,那么它是一个关闭的三维球面;假如世界空间的曲率是零,那么它是一个一望无垠的平整三维空间;假如世界空间具有负曲率,那么它相同没有边沿,是一个三维的马鞍面

  所以,从这个意义上来说,世界空间的形状由曲率决议。而依据爱因斯坦的广义相对论,世界空间的曲率取决于世界中物质场的散布。所以,只需测准了世界中的物质场的散布,那么就能推断出世界空间的形状。

  现在,普朗克卫星为这个问题的处理供给了新的依据。在一项发表于《天然·天文学》的最新论文中,曼彻斯特大学的埃莱奥诺拉·瓦伦蒂诺 (Eleonora Di valentino)、意大利萨皮恩扎大学的亚历山德罗·梅尔奇奥(Alessandro Melchiorri )和牛津大学的约瑟夫·西尔克(Joseph Silk),依据卫星的世界微波布景辐射功率谱中的引力透镜起伏,推算出世界空间的曲率为正。也便是说,世界空间是一个关闭的三维球面。

  临界密度是要害

  那么,物理学家怎么判别世界空间的形状呢?

  关于世界空间来说,存在一个决议其形状的分界限,这个分界限便是世界的临界密度

  在理论上,咱们能够界说一个临界密度。这个临界密度与哈勃常数有关,它的物理意义是世界中的一切物质和能量(包含暗物质和暗能量)的均匀密度。在这个均匀密度下,世界空间是平整的。

  依据哈勃常数核算得知,这个临界密度等于每立方米约 5.7 个质子质量。

  作为比照,咱们知道在太阳系内,仅仅暗物质的密度就有每立方米 3 万个质子质量。所以,太阳系的密度远高于世界临界密度。但由于世界中其他地方(例如星际空间)的物质散布很淡薄,所以均匀起来的临界密度必定没太阳系内那么高。需求留意的是,尽管太阳系内物质密度很高,所以在部分意义上必定不是平整空间;但在世界学规范上,咱们不用考虑太阳系巨细,在世界学中,银河系便是一个质点。评论世界空间是不是平整的,是从世界学规范考虑的。

  因而,一旦实测到的世界总密度等于临界密度,那么世界便是平整的三维欧几里德空间;假如测得的密度大于或小于临界密度,那么世界将分别是曲折的关闭三维球面或三维马鞍面。

  在以上三种状况中,只要关闭的三维球面阐明世界空间是有限的,别的两种状况中整个世界空间是无限大的。

  普朗克卫星给出新定论

  其间最重要的试验办法,是对世界微波布景辐射的观测。世界微波布景辐射相关的研讨,已经在 1978 年、2006 年与 2019 年三次取得诺贝尔物理学奖。但这一范畴其实还刚刚起步,关于人类来说,对世界微波布景的研讨是了解世界的一个重要手法。

  瓦伦蒂诺等人最近的论文剖析了观测世界微波布景辐射的普朗克卫星的数据。普朗克卫星的望远镜丈量了曩昔 138 亿年中,世界微波布景辐射“引力透镜化”的程度,以此丈量世界的均匀密度。详细而言,他们研讨的是这些世界微波布景辐射光子。这些光子在飞向地球的过程中,遇到的物质越多,它们的方向就更加无法明晰地反映它们在前期世界中的起点。在卫星观测数据中,这样的现象出现的是含糊的作用。依据他们对数据的剖析,世界的均匀密度或许比曾经估量的临界密度高5%。也便是说,在世界中均匀每立方米有 6 个质子质量,而不是 5.7 个。


世界微波布景辐射

  依据这项研讨,世界空间或许是一个关闭的三维球面。而在此之前,根据 WMAP 卫星对世界微波布景辐射的观测成果,以及 2013 年普朗克卫星的第一批数据,物理学家建立了名为 LAMDA-CDM 的世界学规范模型。在那个模型中,世界是平整的。因而咱们能够说,最新的研讨提出的定论是颠覆性的。

  所谓的三维球面,还能够与数学上闻名的庞加莱猜测联系起来,庞加莱猜测以为,单连通的无鸿沟的三维几何体其实只要一种,这仅有的或许性便是三维球面。所以,假如埃莱奥诺拉·瓦伦蒂诺他们的论文是正确的,那么咱们就能够把庞加莱猜测与世界空间的形状挂钩,这具有理论美感。

  当然,咱们有必要把可观测世界和整个世界区别开来。可观测世界仅仅整个世界中的一个空间区域,现在咱们界说为以地球为观测中心,半径约 460 亿光年的一个抱负球体。

  在最新论文中,研讨者评论的是整个世界空间的形状,他们以为整个世界有 99% 以上的或许性是一个关闭的三维球面。

  尽管这项研讨给出了最新的成果,但关于世界空间形状的争辩仍未尘埃落定。一个重要原因是,世界临界密度的核算依赖于对哈勃常数的丈量。但现在看来,哈勃常数还测禁绝:尽管普朗克卫星给出了一个哈勃常数,但却与其他办法测得的哈勃常数有着显着的不合。已然哈勃常数测禁绝,所以世界的均匀密度也算禁绝,因而这个临界限是含糊的。因而,现在说世界空间一定是关闭的,还为时过早。

  现在正在智利制作的西蒙斯天文台,以及我国西藏的阿里世界微波布景辐射偏振探测器,将供给更准确的丈量数据。或许未来 5 年,从这些设备的观测数据中,咱们能重新认识这个世界空间。