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果博三合一:最新研究发现:宇宙,也许不是无边无际的

宇宙空间形状透露表示图 (图片来源:quantamagazine)

  当这个奥秘数字从5.7酿成6,我们对宇宙形状的臆测也就改变了……

  对于宇宙的形状,物理学家曾经有着诸多想象。此刻,一项最新研究通过对普朗克卫星的数据阐发指出,宇宙也许是一个封闭的三维球面。这推翻了连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,波及到一个决定了宇宙形状的关键数字:宇宙临界密度。

  宇宙空间的3种也许

  宇宙的形状是什么?宇宙是否存在边疆?对于宇宙的皮相,

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,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,所以宇宙空间不成能有很奇怪的拓扑布局——举一个反例,宇宙不成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纷歧样。

  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种也许性: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,那么它同样没有边沿,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。而依照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,那么就能揣度出宇宙空间的形状。

  此刻,普朗克卫星为这个问题的打点提供了新的依据。在一项颁发于《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),依照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。也便是说,宇宙空间是一个封闭的三维球面。

  临界密度是关键

  那么,物理学家如何判断宇宙空间的形状呢?

  对于宇宙空间来说,存在一个决定其形状的分界线,这个分界线便是宇宙的临界密度。

  在理论上,我们可以定义一个临界密度。这个临界密度与哈勃常数有关,它的物理含义是宇宙中的所有物质和能量(包含暗物质和暗能量)的平均密度。在这个平均密度下,宇宙空间是平坦的。

  依照哈勃常数计算得知,这个临界密度等于每立方米约5.7个质子质量。

  作为相比,我们知道在太阳系内,仅仅暗物质的密度就有每立方米3万个质子质量。所以,太阳系的密度远高于宇宙临界密度。但因为宇宙中其他处所(譬喻星际空间)的物质分布很稀薄,所以平均起来的临界密度必然没太阳系内那么高。须要注意的是,虽然太阳系内物质密度很高,所以在部份意义上必然不是平坦空间;但在宇宙学规范上,我们不用考虑太阳系大小,在宇宙学中,银河系便是一个质点。讨论宇宙空间是不是平坦的,是从宇宙学规范考虑的。

  因此,一旦实测到的宇宙总密度等于临界密度,那么宇宙便是平坦的三维欧几里德空间;如果测得的密度大于或小于临界密度,那么宇宙将分袂是弯曲的封闭三维球面或三维马鞍面。

  在以上三种情况中,只有封闭的三维球面阐明宇宙空间是有限的,其它两种情况中整个宇宙空间是无限大的。

  普朗克卫星给出新结论

  此中最重要的尝试举措,是对宇宙微波背景辐射的观测。宇宙微波背景辐射相关的研究,已经在1978年、2006年与2019年三次获得诺贝尔物理学奖。但这一领域其实还刚刚起步,对于人类来说,

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,对宇宙微波背景的研究是了解宇宙的一个重要手腕。

  瓦伦蒂诺等人最近的论文阐发了观测宇宙微波背景辐射的普朗克卫星的数据。普朗克卫星的望远镜丈量了过去138亿年中,宇宙微波背景辐射“引力透镜化”的水平,以此丈量宇宙的平均密度。具体而言,他们研究的是这些宇宙微波背景辐射光子。这些光子在飞向地球的过程中,遇到的物质越多,它们的方向就愈加无法清晰地反映它们在初期宇宙中的出发点。在卫星观测数据中,这样的现象呈现的是模糊的成绩。依照他们对数据的阐发,宇宙的平均密度也许比以前估计的临界密度高5%。也便是说,在宇宙中平均每立方米有6个质子质量,而不是5.7个。

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