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宇宙是一个封闭的三维球面?

来源:中国冶金装备网  日期:2019年11月07日  文字:【 加粗】【高亮】【还原

对于宇宙的形状,物理学家曾经有着诸多想象。现在,一项最新研究通过对普朗克卫星的数据分析指出,宇宙可能是一个封闭的三维球面。这推翻了近年来的一个主流观点,即宇宙是无边无际的平坦三维空间。而这个全新结论的得出,涉及到一个决定了宇宙形状的关键数字:宇宙临界密度。

宇宙的形状是什么?宇宙是否存在边界?对于宇宙的轮廓,人类曾有诸多天马行空的幻想。但在爱因斯坦将宇宙学原理应用到宇宙学研究之后,宇宙的形状就受到了严格的限制。宇宙学原理要求宇宙空间每一点的地位都是平等的,所以宇宙空间不可能有很奇怪的拓扑结构——举一个反例,宇宙不可能长成自行车内胎这样,因为内胎外侧的点与内侧的点地位显然不一样。

所以,考虑到宇宙学原理作出的限制,那么单连通的宇宙形状就只剩下3种可能性:如果宇宙空间具有正曲率,那么它是一个封闭的三维球面;如果宇宙空间的曲率是零,那么它是一个无边无际的平坦三维空间;如果宇宙空间具有负曲率,那么它同样没有边际,是一个三维的马鞍面。

所以,从这个意义上来说,宇宙空间的形状由曲率决定。而根据爱因斯坦的广义相对论,宇宙空间的曲率取决于宇宙中物质场的分布。所以,只要测准了宇宙中的物质场的分布,那么就能推断出宇宙空间的形状。

现在,普朗克卫星为这个问题的解决提供了新的依据。在一项发表于《自然·天文学》的最新论文中,曼彻斯特大学的埃莱奥诺拉·瓦伦蒂诺 (Eleonora Di valentino)、意大利萨皮恩扎大学的亚历山德罗·梅尔奇奥(Alessandro Melchiorri?)和牛津大学的约瑟夫·西尔克(Joseph Silk),根据卫星的宇宙微波背景辐射功率谱中的引力透镜幅度,推算出宇宙空间的曲率为正。也就是说,宇宙空间是一个封闭的三维球面。

所谓的三维球面,还可以与数学上著名的庞加莱猜想联系起来,庞加莱猜想认为,单连通的无边界的三维几何体其实只有一种,这唯一的可能性就是三维球面。所以,如果埃莱奥诺拉·瓦伦蒂诺他们的论文是正确的,那么我们就可以把庞加莱猜想与宇宙空间的形状挂钩,这具有理论美感。

当然,我们必须把可观测宇宙和整个宇宙区分开来。可观测宇宙只是整个宇宙中的一个空间区域,目前我们定义为以地球为观测中心,半径约460亿光年的一个理想球体。

在最新论文中,研究者讨论的是整个宇宙空间的形状,他们认为整个宇宙有99%以上的可能性是一个封闭的三维球面。


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