宇宙是弯曲的吗?先别那么快下结论

摘要:

北京时间12月9日消息,据国外媒体报道,宇宙形状是宇宙学中最重要的问题之一,具有深远的影响,甚至能够为我们揭示宇宙的最终命运。几十年来,天文学家一直在测量中比宇宙当成几何意义上的平面,但近期的一项宇宙学研究报告称,最新的测量结果表明,宇宙实际上更可能是弯曲的。不过,这个问题并不止一个简单的测量结果那么简单。

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我们都知道,地球表面是弯曲的,因此你在高中学到的几何知识并不总是适用。例如,平行线在地球上并不总是保持平行:经度线会在南、北两极相交,这种情况在平面上是不可能发生的。如果用一个三角形将地球上的三个城市连接起来,你会发现,这个三角形的内角之和超过了180度,没错,这又是球面与平面的差别。

天文学家对宇宙的极限曲率非常感兴趣:在最宏大的尺度上,平行线和三角形将如何表现?另一方面,这个问题之所以重要,是因为宇宙形状与其最终命运关系紧密。我们用爱因斯坦的广义相对论来理解宇宙,该理论指出,时空的内容物会影响它的形状,而形状决定着内容物如何移动。

几何意义上平坦的宇宙会一直膨胀下去,而“封闭的”宇宙最终会收缩,导致大爆炸的逆转,也就是所谓的大挤压(Big Crunch,又称大蹦坠)。

寻找最初的光

为了确定时空的几何结构,我们需要观察各种各样遥远的光源,并确定这些光源发出的光是否在路径上发生了重大偏差。在数十亿年的时间里,光束应该保持在直线上,这样我们就可以用遥远的探测器“抚平”由星系和黑洞引起的微小颠簸和摆动,并观察宇宙真实的、潜在的几何结构。

让我们来看一下宇宙微波背景(cosmic microwave background,简称CMB),这是“我们宇宙中最古老的光”,充满整个宇宙,从宇宙还处于婴儿状态(只有38万岁)时遗留至今。在过去的138亿年里,这些光一直在向着我们“飞奔”,因此可以通过研究宇宙微波背景的特征来确定宇宙是否平坦。

普朗克卫星是美国国家航空航天局(NASA)和欧洲空间局(ESA)合作的计划,其设计目标是以史无前例的高解析度获取宇宙微波背景辐射在整个天空的各向异性图。普朗克卫星确实很好地完成了任务,将宇宙微波背景的测量精度提高到最高水平,最新的数据在2018年发布。

如果分析普朗克卫星记录的宇宙微波背景辐射的原始数据,你会发现宇宙似乎更倾向于封闭。这些测量结果还没有显著到足以被认为是定论,但仍然具有启发性。这很有趣,因为目前通过大爆炸理论所了解的一切都表明,我们的宇宙应该是非常、非常平坦的。

发生了什么?根据普朗克卫星的数据,我们有两个可能的选项:

(1)普朗克卫星数据表明了事实,宇宙可能是弯曲的;

(2)普朗克卫星的数据欺骗了我们,要么是仪器本身出了问题,要么是其他一些天文来源(例如讨厌的星际尘埃)使宇宙看起来是弯曲的,但实际上,宇宙仍是平坦的。

普朗克项目合作团队进行了大量的分析和检查,得出的结论是,我们的宇宙确实是平坦的,但一些外来的污染影响了数据,使宇宙看起来是弯曲的。

然而,在近期的研究中,有三位天文学家进行了自己的分析,得出了相反的结论:普朗克卫星数据并没有骗人,宇宙确实是弯曲的。

答案到底是什么?

目击者

随便问一个侦探,他们都会告诉你,目击者的证词总是靠不住的。你需要多个互不相关的人对同一件事给出类似的描述,然后才能描绘出一幅可靠的画面。因此,为了确定普朗克卫星是否欺骗了我们,我们需要询问其他一些“目击者”。值得庆幸的是,宇宙学家有很多可以借鉴的东西,丰富的测量结果可以告诉我们宇宙的实际曲率。

普朗克团队采取了一种直截了当的方法。研究人员结合了来自普朗克卫星的数据与其他观测的数据,以一种统计上合理的方式将它们混合,通过结合之后的数据集来探究宇宙曲率。最后的答案是:根本没有曲率;我们生活在一个扁平的宇宙中。

普朗克团队的研究人员称,他们自己的数据在曲率方面并不完全可靠,宇宙微波背景的测量必须与其他宇宙探测器结合起来,才能得到准确的答案。

但是,那三位天文学家采取了不同的方法。他们相信普朗克卫星的数据表明了事实,即宇宙是弯曲的。因此,当他们把其他探测器的数据混合起来时,他们发现了结果存在矛盾,因为其他探测器的数据表明,我们生活在一个平坦的宇宙中。因此,我们需要很小心地找出造成这一矛盾的原因。

那么,普朗克卫星数据对我们撒谎了吗?普朗克协作团队说,是的;而这三位天文学家(刚好也是普朗克合作项目的成员)给出了否定的答案。传统的宇宙膨胀模型指向的是一个平坦的宇宙,这也是大多数科学家支持“平坦宇宙”的首要原因。虽然弯曲的宇宙看起来不太可能,但只有更多的数据和更深入的分析才能解决这个争论。(任天)

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