宇宙的形状是什么？天文学家提出新的探索方法

纯牛马 · 昨天 20:34

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我们所在的宇宙有形状吗？它的形状是什么？是无限还是有限？

大家有没有考虑过这样的问题。
对于这个问题，天文学家又是如何探索的。

方法
要了解一个物体真实的形状，最直接的办法可能就是从外面去看它。

但对于宇宙来说我们要怎么去看它呢？
宇宙有外面吗，或者就算是有，我们能去宇宙的外面吗？
显然，这是我们无法办到的事情。
所以，身在宇宙之中我们要怎么探索宇宙的形状。
天文学家说，我们可以根据宇宙中物质的密度来推测。

为什么根据密度就可以推测宇宙的形状？
临界密度
1915年的时候，爱因斯坦发表了广义相对论。

这是一个划时代的引力理论。
这个理论告诉我们，质量可以使得时空弯曲。

所以在一个充满物质的宇宙中，它的几何形状是由其中物质的含量来决定。
而在大爆炸模型下，宇宙在膨胀。
所以宇宙最终的形态是由向外膨胀的因素和产生引力的物质含量共同决定。
据此，天文学家推测出了一个临界密度（就是宇宙物质的含量刚好可以阻止膨胀的一个临界值）。

它的数值大约为9.×10^{-27}千克/立方米。
这个密度差不多就是每立方米的空间包含5个质子。
这是很小很小的一个密度，比我们人造真空空间的密度小的多的多。
宇宙的密度
如果我们观测到宇宙的密度大于这个临界密度，那么宇宙在未来膨胀之后还会重新坍缩，所以它是一个封闭有限的宇宙，就像球形那样。

如果密度小于临界密度，宇宙将会一直膨胀永无休止，它的曲率为负，形状有点像拥有双曲的马鞍面。
若实际密度等于临界密度，引力恰好可以阻止膨胀，未来某个时刻它将停止膨胀但不会重新坍缩，这样的宇宙曲率为零，几何形状是一个平坦的宇宙。

所以，宇宙的形状是什么就看它的真实密度是多少，
是多少呢？
天文学家实际观测到的宇宙实际密度几乎接近临界密度。
这是一个令人困惑的结果。
因为这个结果预示着宇宙的几何形状似乎是一个平坦的宇宙。

普朗克卫星探测宇宙微波背景辐射时其结果也趋向于平坦。

所以大爆炸为何会炸出一个平坦的宇宙呢？
这确实令人很困惑。
寻找宇宙的拓扑结构
不过对于这个平坦，天文学家并不认为宇宙的形状只是像平面那么简单。
平坦，在欧几几何中会有这样的特性，两条平行线永远平行，它们不会相交也不会发散，三角形的和永远都是180°。

但我们所在的宇宙并不只是二维。
在拓扑结构中，欧几平面只是拥有这个平坦特性的一种。
三维拓扑结构中它还会拥有其它复杂的形状。
比如圆柱体、圆环体、莫比乌斯环等等。

事实上，拥有平坦几何的拓扑天文学家已经知晓18种。
所以，平坦的宇宙并不一定只是简单的平面，它也可以拥有一些我们想象不到的形状。
所以探索宇宙整体的形状我们不能只是以曲率来了解，我们还要探索它的拓扑结构。
这才是我们了解宇宙整体几何形状的途径。
那么宇宙到底是简单的平面还是拥有复杂的形状呢？
2004年的时候天文学家提出了一个验证的方法。
若宇宙是像欧几平面那样的平坦宇宙，它具有单连通的属性，观察者和光源只有一条可连接的路径。

若宇宙是像甜甜圈那样复杂的形状，宇宙将是有限的宇宙具有多连通的属性，观察者和光源会存在多条连通的路径。
这样，我们在宇宙不同的空间将会看到同一光源的重复像。

所以，若是需找到了这样的特征。
我们将可以推测，宇宙虽然平坦，但它也具有复杂的形状。
2004年天文学家就是以这样的思路在宇宙微波背景辐射中寻找重复的信号。

不过很遗憾，他们并没有找到。
新的探索
十年后，2024年，他们分析了之前失败的原因。
原因可能是宇宙微波背景辐射还没有贯穿整个宇宙，所以有的光还没有被我们看到，那么那些重复的信号也就无法出现。
所以他们又提出了新的思路，这个思路相当于听声辨别。
他们认为，复杂的拓扑结构肯定会影响微波背景辐射中光子的密度，就像固定的琴弦只能发出固定的声音。
所以，他们将识别微波背景辐射中那些异常的密度涨落，就像寻找旋律那样，从而探索宇宙的拓扑结构。
后续能不能成功呢。
我们拭目以待！
这就是天文学家探索宇宙形状的方法。