當這個(gè)神秘數字從 5.7 變成6，我們對宇宙形狀的猜想也就改變了……

　　對于宇宙的形狀，物理學(xué)家曾經(jīng)有著(zhù)諸多想象?，F在，一項最新研究通過(guò)對普朗克衛星的數據分析指出，宇宙可能是一個(gè)封閉的三維球面。這推翻了近年來(lái)的一個(gè)主流觀(guān)點(diǎn)，即宇宙是無(wú)邊無(wú)際的平坦三維空間。而這個(gè)全新結論的得出，涉及到一個(gè)決定了宇宙形狀的關(guān)鍵數字：宇宙臨界密度。

　　宇宙空間的 3 種可能

　　宇宙的形狀是什么?宇宙是否存在邊界?對于宇宙的輪廓，人類(lèi)曾有諸多天馬行空的幻想。但在愛(ài)因斯坦將宇宙學(xué)原理應用到宇宙學(xué)研究之后，宇宙的形狀就受到了嚴格的限制。宇宙學(xué)原理要求宇宙空間每一點(diǎn)的地位都是平等的，所以宇宙空間不可能有很奇怪的拓撲結構——舉一個(gè)反例，宇宙不可能長(cháng)成自行車(chē)內胎這樣，因為內胎外側的點(diǎn)與內側的點(diǎn)地位顯然不一樣。

　　所以，考慮到宇宙學(xué)原理作出的限制，那么單連通的宇宙形狀就只剩下3 種可能性：如果宇宙空間具有正曲率，那么它是一個(gè)封閉的三維球面;如果宇宙空間的曲率是零，那么它是一個(gè)無(wú)邊無(wú)際的平坦三維空間;如果宇宙空間具有負曲率，那么它同樣沒(méi)有邊際，是一個(gè)三維的馬鞍面。

　　所以，從這個(gè)意義上來(lái)說(shuō)，宇宙空間的形狀由曲率決定。而根據愛(ài)因斯坦的廣義相對論，宇宙空間的曲率取決于宇宙中物質(zhì)場(chǎng)的分布。所以，只要測準了宇宙中的物質(zhì)場(chǎng)的分布，那么就能推斷出宇宙空間的形狀。

　　現在，普朗克衛星為這個(gè)問(wèn)題的解決提供了新的依據。在一項發(fā)表于《自然·天文學(xué)》的最新論文中，曼徹斯特大學(xué)的埃萊奧諾拉·瓦倫蒂諾 (Eleonora Di valentino)、意大利薩皮恩扎大學(xué)的亞歷山德羅·梅爾奇奧(Alessandro Melchiorri?)和牛津大學(xué)的約瑟夫·西爾克(Joseph Silk)，根據衛星的宇宙微波背景輻射功率譜中的引力透鏡幅度，推算出宇宙空間的曲率為正。也就是說(shuō)，宇宙空間是一個(gè)封閉的三維球面。

　　臨界密度是關(guān)鍵

　　那么，物理學(xué)家如何判斷宇宙空間的形狀呢?

　　對于宇宙空間來(lái)說(shuō)，存在一個(gè)決定其形狀的分界線(xiàn)，這個(gè)分界線(xiàn)就是宇宙的臨界密度。

　　在理論上，我們可以定義一個(gè)臨界密度。這個(gè)臨界密度與哈勃常數有關(guān)，它的物理含義是宇宙中的所有物質(zhì)和能量(包括暗物質(zhì)和暗能量)的平均密度。在這個(gè)平均密度下，宇宙空間是平坦的。

　　根據哈勃常數計算得知，這個(gè)臨界密度等于每立方米約 5.7 個(gè)質(zhì)子質(zhì)量。

　　作為對比，我們知道在太陽(yáng)系內，僅僅暗物質(zhì)的密度就有每立方米 3 萬(wàn)個(gè)質(zhì)子質(zhì)量。所以，太陽(yáng)系的密度遠高于宇宙臨界密度。但因為宇宙中其他地方(例如星際空間)的物質(zhì)分布很稀薄，所以平均起來(lái)的臨界密度肯定沒(méi)太陽(yáng)系內那么高。需要注意的是，雖然太陽(yáng)系內物質(zhì)密度很高，所以在局部意義上肯定不是平坦空間;但在宇宙學(xué)尺度上，我們不必考慮太陽(yáng)系大小，在宇宙學(xué)中，銀河系就是一個(gè)質(zhì)點(diǎn)。討論宇宙空間是不是平坦的，是從宇宙學(xué)尺度考慮的。

　　因此，一旦實(shí)測到的宇宙總密度等于臨界密度，那么宇宙就是平坦的三維歐幾里德空間;如果測得的密度大于或小于臨界密度，那么宇宙將分別是彎曲的封閉三維球面或三維馬鞍面。

　　在以上三種情況中，只有封閉的三維球面說(shuō)明宇宙空間是有限的，另外兩種情況中整個(gè)宇宙空間是無(wú)限大的。

　　普朗克衛星給出新結論

　　其中最重要的實(shí)驗方法，是對宇宙微波背景輻射的觀(guān)測。宇宙微波背景輻射相關(guān)的研究，已經(jīng)在 1978 年、2006 年與 2019 年三次獲得諾貝爾物理學(xué)獎。但這一領(lǐng)域其實(shí)還剛剛起步，對于人類(lèi)來(lái)說(shuō)，對宇宙微波背景的研究是了解宇宙的一個(gè)重要手段。

　　瓦倫蒂諾等人最近的論文分析了觀(guān)測宇宙微波背景輻射的普朗克衛星的數據。普朗克衛星的望遠鏡測量了過(guò)去 138 億年中，宇宙微波背景輻射“引力透鏡化”的程度，以此測量宇宙的平均密度。具體而言，他們研究的是這些宇宙微波背景輻射光子。這些光子在飛向地球的過(guò)程中，遇到的物質(zhì)越多，它們的方向就愈加無(wú)法清晰地反映它們在早期宇宙中的起點(diǎn)。在衛星觀(guān)測數據中，這樣的現象呈現的是模糊的效果。根據他們對數據的分析，宇宙的平均密度可能比以前估計的臨界密度高5%。也就是說(shuō)，在宇宙中平均每立方米有 6 個(gè)質(zhì)子質(zhì)量，而不是 5.7 個(gè)。

宇宙微波背景輻射

　　根據這項研究，宇宙空間可能是一個(gè)封閉的三維球面。而在此之前，基于 WMAP 衛星對宇宙微波背景輻射的觀(guān)測結果，以及 2013 年普朗克衛星的第一批數據，物理學(xué)家建立了名為 LAMDA-CDM 的宇宙學(xué)標準模型。在那個(gè)模型中，宇宙是平坦的。因此我們可以說(shuō)，最新的研究提出的結論是顛覆性的。

　　所謂的三維球面，還可以與數學(xué)上著(zhù)名的龐加萊猜想聯(lián)系起來(lái)，龐加萊猜想認為，單連通的無(wú)邊界的三維幾何體其實(shí)只有一種，這唯一的可能性就是三維球面。所以，如果埃萊奧諾拉·瓦倫蒂諾他們的論文是正確的，那么我們就可以把龐加萊猜想與宇宙空間的形狀掛鉤，這具有理論美感。

　　當然，我們必須把可觀(guān)測宇宙和整個(gè)宇宙區分開(kāi)來(lái)?？捎^(guān)測宇宙只是整個(gè)宇宙中的一個(gè)空間區域，目前我們定義為以地球為觀(guān)測中心，半徑約 460 億光年的一個(gè)理想球體。

　　在最新論文中，研究者討論的是整個(gè)宇宙空間的形狀，他們認為整個(gè)宇宙有 99% 以上的可能性是一個(gè)封閉的三維球面。

　　盡管這項研究給出了最新的結果，但關(guān)于宇宙空間形狀的爭論仍未塵埃落定。一個(gè)重要原因是，宇宙臨界密度的計算依賴(lài)于對哈勃常數的測量。但目前看來(lái)，哈勃常數還測不準：雖然普朗克衛星給出了一個(gè)哈勃常數，但卻與其他方法測得的哈勃常數有著(zhù)明顯的分歧。既然哈勃常數測不準，所以宇宙的平均密度也算不準，因此這個(gè)臨界線(xiàn)是模糊的。因此，現在說(shuō)宇宙空間一定是封閉的，還為時(shí)過(guò)早。

　　目前正在智利建造的西蒙斯天文臺，以及中國西藏的阿里宇宙微波背景輻射偏振探測器，將提供更精確的測量數據。也許未來(lái) 5 年，從這些設備的觀(guān)測數據中，我們能重新認識這個(gè)宇宙空間。
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