宇宙是平的——至少目前看来是这样

时间:2017-01-20 06:00:42
来源:环球科学
作者:撰文/MIHAI ANDREI,编译/怡若乐
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宇宙是平的——至少目前看来是这样, 现代的科学研究表明宇宙是平的,宇宙是“平”的代表着什么意思呢?
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1

 现代的科学研究表明宇宙是平的,宇宙是“平”的代表着什么意思呢? 

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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。

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 现代的科学研究表明宇宙是平的,宇宙是“平”的代表着什么意思呢? 

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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。

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