宇宙是彎曲的嗎?先別那麼快下結論
2019年12月09日12:18

  12月9日消息,據國外媒體報導,宇宙形狀是宇宙學中最重要的問題之一,具有深遠的影響,甚至能夠為我們揭示宇宙的最終命運。

  幾十年來,天文學家一直在測量中比宇宙當成幾何意義上的平面,但近期的一項宇宙學研究報告稱,最新的測量結果表明,宇宙實際上更可能是彎曲的。不過,這個問題並不止一個簡單的測量結果那麼簡單。

  我們都知道,地球表面是彎曲的,因此你在高中學到的幾何知識並不總是適用。例如,平行線在地球上並不總是保持平行:經度線會在南、北兩極相交,這種情況在平面上是不可能發生的。如果用一個三角形將地球上的三個城市連接起來,你會發現,這個三角形的內角之和超過了180度,沒錯,這又是球面與平面的差別。

  天文學家對宇宙的極限曲率非常感興趣:在最宏大的尺度上,平行線和三角形將如何表現?另一方面,這個問題之所以重要,是因為宇宙形狀與其最終命運關繫緊密。我們用愛因斯坦的廣義相對論來理解宇宙,該理論指出,時空的內容物會影響它的形狀,而形狀決定著內容物如何移動。

  幾何意義上平坦的宇宙會一直膨脹下去,而“封閉的”宇宙最終會收縮,導致大爆炸的逆轉,也就是所謂的大擠壓(Big Crunch,又稱大蹦墜)。

  尋找最初的光

  為了確定時空的幾何結構,我們需要觀察各種各樣遙遠的光源,並確定這些光源發出的光是否在路徑上發生了重大偏差。在數十億年的時間里,光束應該保持在直線上,這樣我們就可以用遙遠的探測器“撫平”由星系和黑洞引起的微小顛簸和擺動,並觀察宇宙真實的、潛在的幾何結構。

  讓我們來看一下宇宙微波背景(cosmic microwave background,簡稱CMB),這是“我們宇宙中最古老的光”,充滿整個宇宙,從宇宙還處於嬰兒狀態(只有38萬歲)時遺留至今。在過去的138億年里,這些光一直在向著我們“飛奔”,因此可以通過研究宇宙微波背景的特徵來確定宇宙是否平坦。

  普朗克衛星是美國國家航空航天局(NASA)和歐洲空間局(ESA)合作的計劃,其設計目標是以史無前例的高解析度獲取宇宙微波背景輻射在整個天空的各向異性圖。普朗克衛星確實很好地完成了任務,將宇宙微波背景的測量精度提高到最高水平,最新的數據在2018年發佈。

  如果分析普朗克衛星記錄的宇宙微波背景輻射的原始數據,你會發現宇宙似乎更傾向於封閉。這些測量結果還沒有顯著到足以被認為是定論,但仍然具有啟發性。這很有趣,因為目前通過大爆炸理論所瞭解的一切都表明,我們的宇宙應該是非常、非常平坦的。

  發生了什麼?根據普朗克衛星的數據,我們有兩個可能的選項:

  (1)普朗克衛星數據表明了事實,宇宙可能是彎曲的;

  (2)普朗克衛星的數據欺騙了我們,要麼是儀器本身出了問題,要麼是其他一些天文來源(例如討厭的星際塵埃)使宇宙看起來是彎曲的,但實際上,宇宙仍是平坦的。

  普朗克項目合作團隊進行了大量的分析和檢查,得出的結論是,我們的宇宙確實是平坦的,但一些外來的汙染影響了數據,使宇宙看起來是彎曲的。

  然而,在近期的研究中,有三位天文學家進行了自己的分析,得出了相反的結論:普朗克衛星數據並沒有騙人,宇宙確實是彎曲的。

  答案到底是什麼?

  目擊者

  隨便問一個偵探,他們都會告訴你,目擊者的證詞總是靠不住的。你需要多個互不相關的人對同一件事給出類似的描述,然後才能描繪出一幅可靠的畫面。因此,為了確定普朗克衛星是否欺騙了我們,我們需要詢問其他一些“目擊者”。值得慶幸的是,宇宙學家有很多可以借鑒的東西,豐富的測量結果可以告訴我們宇宙的實際曲率。

  普朗克團隊採取了一種直截了當的方法。研究人員結合了來自普朗克衛星的數據與其他觀測的數據,以一種統計上合理的方式將它們混合,通過結合之後的數據集來探究宇宙曲率。最後的答案是:根本沒有曲率;我們生活在一個扁平的宇宙中。

  普朗克團隊的研究人員稱,他們自己的數據在曲率方面並不完全可靠,宇宙微波背景的測量必須與其他宇宙探測器結合起來,才能得到準確的答案。

  但是,那三位天文學家採取了不同的方法。他們相信普朗克衛星的數據表明了事實,即宇宙是彎曲的。因此,當他們把其他探測器的數據混合起來時,他們發現了結果存在矛盾,因為其他探測器的數據表明,我們生活在一個平坦的宇宙中。因此,我們需要很小心地找出造成這一矛盾的原因。

  那麼,普朗克衛星數據對我們撒謊了嗎?普朗克協作團隊說,是的;而這三位天文學家(剛好也是普朗克合作項目的成員)給出了否定的答案。傳統的宇宙膨脹模型指向的是一個平坦的宇宙,這也是大多數科學家支援“平坦宇宙”的首要原因。雖然彎曲的宇宙看起來不太可能,但只有更多的數據和更深入的分析才能解決這個爭論。(任天)

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