宇宙是平的——至少目前看来是这样

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宇宙是平的——至少目前看来是这样

2017-01-17
MIHAI ANDREI​ 环球科学ScientificAmerican

现代研究表明宇宙是平的，难道这意味着我们的宇宙像一张平面一样吗？宇宙是“平”的代表着什么呢？

撰文 MIHAI ANDREI

编译 怡若乐

审校 丁家琦

几何学、拓扑学和宇宙大爆炸

                               
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科学家用9年时间内收集的WMAP数据绘制出详细的婴儿期宇宙全天图。这张图片揭示了宇宙诞生137.7亿年以来，星系从起源到演化过程中的温度波动（温度差异显示为不同颜色）。 图片来源：NASA / WMAP

在宇宙中间去思考宇宙的形状确实有些荒谬。我们一般是通过从外部观察来了解物体的形状——但我们怎么可能跑到宇宙的外面去观察宇宙呢？说到宇宙的形状时，天文学家们通常会提到两个概念：

1.局部几何的概念：这涉及到可观测宇宙的几何形状及其曲率。

2.全局几何的概念：这涉及到拓扑学的概念，在拓扑学中，事物可能会与它们看起来的样子截然不同。

如果我们可以观察整个宇宙，并且不受其几何性质或其它特征限制，那么以上两条就是一致的。但如果凑巧两者不一致，并且观测被某些宇宙的内在特性所限制，我们就无法知道宇宙形状——至少现在没办法知道。

大多数人会认为宇宙是一个对称的球形——差不多像地球一样的球状。我们知道地球表面不是平的，在几何学中，这意味着地球表面上看似“平行”的线并不真正平行。所有的线，即使它们开始时候平行，最终也会有交点，并且它们之间的距离不是固定的。如下图所示：

                               
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三种可能的宇宙的形状：封闭式，开放式和平面。图片来源：NASA

所以说，如果宇宙是平面的话，平行线就会永远保持平行——这是问题的关键。而在实验中，科学家们发现，来自不同星系的光在很长距离上仍然保持平行。重子振荡光谱测量（BOSS）望远镜也给出了一些非常有力的证据，证明了可观测宇宙确实是平坦的，这令人感到很困惑。

美国劳伦斯伯克利国家实验室物理学分部的大卫·塞拉格尔（David Schlegel）表示：“我们之所以关心这个问题，是因为如果宇宙是平坦的，就意味着它可能是无限的，没有尽头——它会在空间和时间中永远延伸。我们的结果可能会支持无限宇宙模型。”

有限与无限

这就引出了另一个关于宇宙形状的，还存在争议的问题：宇宙到底是有限，还是无限的？我们都知道宇宙非常大，但它是无限的吗？

人类一直在思考这个问题。18世纪，德国天文学家海因里希·威廉·奥尔伯斯（Heinrich Wilhelm Olbers）提出了一个悖论：如果宇宙是无限的，那天空就不会是黑暗的，因为在任何方向都会有无限的空间，无限的空间里充满了发光的恒星。然而，我们看到的夜空并没有被整个照亮，这样说的话，宇宙就不应该是无限的。不过，奥尔伯斯悖论没那么简单，有很多复杂的解释，比如宇宙正在迅速膨胀，所以遥远的恒星将会红移直到黯淡，或者来自其他恒星的光还没有到达我们这里——不过这个我们也无法得知。现在知道的是，超过约137亿岁的恒星或星系太远了，他们发出的光永远无法到达地球。所以我们大概知道了宇宙的年龄，但它的大小呢？

你可能会说，我们直接测量一下宇宙各个方向的长度，不就知道宇宙的大小了？但这也没那么简单。

                               
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宇宙在一个膨胀的球体上。最远的星系移动最快，因此会有长度收缩，站在中心位置的观察者会看到它变小。 图片来源： Drschawrz

可观测宇宙的直径是910亿光年。从可观测宇宙边缘到达我们地球的光所走的距离，就非常接近宇宙的年龄乘以光的速度，即138亿光年，但这个距离会随着时间变化，因为可观测宇宙边缘和地球的距离正在不断增加。因为我们无法观察到可观测宇宙边缘外的空间，所以无法直接知道宇宙是不是无限的。现代的测量数据，包括宇宙背景探测器（COBE），威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）和普朗克卫星的CMB地图，都表明宇宙在广度上是无限的，但是这一点还存在争议。

那么大爆炸呢？

                               
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137.7亿年中宇宙演化的示意图。最左边代表我们现在可以探测的最早时刻，“暴胀”（inflation）时期宇宙以指数形式迅速膨胀。 图片来源：NASA / WMAP

大多数人都了解一些关于大爆炸期间发生的事情，但很多误解恰恰也产生于这一方面。当空间产生时，大多数人都会觉得它会在所有方向上同时延伸——但事实并不是这样。在大爆炸之前，没有空间或时间。所以，大爆炸的“外面”并不存在任何东西，让宇宙“延伸到那里”。宇宙只是从一个微小的体积扩大到一个巨大的体积，甚至直到现在还在继续扩大——但这不能保证它在各个方向是对称的。

所以让我们回到局部几何和全局几何的概念上来。我们所能观测到的是局部几何，即可观测宇宙。即使不可能做到无一缺漏，我们的观测也要尽可能地详细，且考虑周到。

宇宙的整体形状

所以，我们的宇宙可能是平坦且无限的，但这并不能帮助我们推知它的整体形状。即使平行线永远是平行的，可观测宇宙是平坦的，也并不意味着整个宇宙是平坦的。它可能类似于莫比乌斯环——空间弯曲、扭曲，但线保持平行，最后将空间的一端连接到另一端上去。

最后，关于宇宙的形状，有三种不同的可能，并且都有自己独特的含义：

1.宇宙曲率为零，即宇宙是平坦的。它不一定是无限的，也不一定需要像纸一样：它可以是环状的。

2.宇宙曲率为正，也就是球形。

3.宇宙曲率为负。你可以把它想象成一个三维的无限延伸的鞍状物。

我们现在也不知道到底哪种说法正确。我们所知道的是，可观测的宇宙是平坦的——这确实也是一个了不起的发现了。

原文链接：

http://www.zmescience.com/space/astrophysics-space/shape-universe-really/