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我们生涯的宇宙,是一个“甜甜圈”?

admin2021-11-2995

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“甜甜圈”形状的宇宙看法图(图片泉源:ESO / J. LAW)

我们先容过关于宇宙形状的料想:宇宙可能像一张平展的白纸、一个球面,又或是一个马鞍面。事实上,这些讨论只涉及了宇宙的曲率,若是要完整地形貌宇宙的形状,还要思量拓扑结构。这样一来,宇宙的形状就不止有这三种二维空间可选了,它还可以是一个“甜甜圈”――这并不是脑洞大开的理想,而是科学家从宇宙微波靠山辐射中读出的信息……

什么是宇宙的“形状”

你或许听说过一些关于宇宙形状的比喻:我们的宇宙像一张平展的白纸,向各个偏向延伸至无限远,整个宇宙没有界限,巨细也是无限的;固然,宇宙也可以不那么平展,它可能像一个球面,巨细有限然则没有界限;又或是像一个马鞍面,同样延伸向无限远,无限且没有界限。

我们生涯在三维空间中,三维空间的庞大几何结构未便于想象,以平面、球面、马鞍面这样的二维空间做类比是明白宇宙形状的好方式。

球面、马鞍面与平面(图片泉源:NASA / WMAP Science Team)

从数学上来说,平面、球面和马鞍面这三种二维空间之以是看起来云云差异,是由于三者拥有差其余内禀曲率(intrinsic curvature):平面的内禀曲率四处为零,球面的内禀曲率是正的,而马鞍面的是负的。

所谓“内禀”,意味这几种空间的差异实在不用从更高维的空间考察就能看出来。例如,若是看不到地球的全貌,我们能否判断地球是球面照样平面呢?我们可以找一对经线,它们在赤道周围是平行线,可是沿着远离赤道的偏向走下去,这对经线最终会相交于极点处。而在平面上,平行线是不会相交的,这说明地球不是一个平面,而是有正曲率的球面。想象一种二维生物,它们终生被限制在纸面上流动,但通过类似的方式,在纸面上做一些几何丈量,它们同样可以判断所生涯的空间是平面、球面照样马鞍面。

回到三维空间中,当我们谈论宇宙像平面、球面照样马鞍面时,我们实在是在谈论宇宙的曲率。然而,单靠曲率还不足以决议空间的形状。我们要知晓宇宙完整的几何形状,还需要考察另一样器械。

把一张平展的纸卷起来,获得一个圆柱面,这个面上的二维生物可以通过几何丈量判断自己生涯在平展的平面上,照样“卷曲的”圆柱面上吗?事实上,圆柱面的内禀曲率依然是四处为零的,这意味着二维生物在圆柱面上画的平行线也会永远保持平行,因此上述几何丈量不足以区将这两种空间脱离。真正将平面和圆柱面区脱离的,不是曲率,而是拓扑结构(topology)。

所谓拓扑结构,可以明白成空间在“延续”形变中保持稳固的性子――这里的“延续”是指除了“剪切”和“粘贴”外的其他变形方式。好比从平面酿成马鞍面,通过延续的拉伸就能实现,以是平面和马鞍面的拓扑结构实在是相同的。而把平面酿成圆柱面,则必须把平面的一对对边粘贴起来,这个历程改变了空间原本的拓扑结构。类似地,若是把圆柱面的头尾两个环对接粘贴起来,就获得了甜甜圈的形状――数学上把这种二维空间称作“环面”(torus)――这个历程也改变了空间的拓扑结构。

一只杯子延续变形成一个甜甜圈,二者拥有相同的拓扑结构(图片泉源:Lucas Vieira)

于是我们发现,平面、圆柱面和环面这三种二维空间,内禀曲率是相同的,却由于拓扑结构的差异,而出现出三种完全差其余形状。这说明,一个空间的几何形状是由其曲率和拓扑结构配合决议的。值得一提的是,环面像球面一样,也是巨细有限而无界限的。从环面或球面上的一点出发朝一个偏向走下去,只要时间够长,总能回到起始点周围。

于是,确定宇宙的形状就分成两步:确定宇宙的曲率,以及宇宙的拓扑结构。可是,宇宙着实是太大了,我们不能能真的在宇宙中画一对平行线,让它们一直延伸下去看看会不会相交,由此判断宇宙的曲率;或是向一个牢靠偏向发射一艘飞船,看看多年后它会不会回到发射点,由此判断宇宙的拓扑结构。科学家们需要想出更适用的方式来完成这两项义务。所幸,有一样主要的观察数据可以担此大任:宇宙微波靠山辐射

大爆炸遗留的痕迹

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凭证现在通行的宇宙学模子,宇宙起始于一场大爆炸,这场大爆炸在今天的宇宙靠山上留下了微波频段的电磁辐射,科学家们称之为“宇宙微波靠山辐射”。这种辐射在整个宇宙靠山上漫衍得相当平均,相当于温度为2.725 K的黑体辐射,然而一些局部区域的温度会略微偏离这个值。若是凭证温度为各个区域上色,我们会在整个宇宙微波靠山辐射图上看到亮斑与暗斑交替泛起,显示出各向异性。各个区域温度相较于2.725 K的偏离值被称为“温度涨落”,这种涨落蕴含着宇宙的许多主要信息,其中就包罗宇宙的形状。

普朗克卫星拍摄的宇宙微波靠山辐射图(图片泉源:ESA)

我们先看看关于宇宙的曲率,温度涨落能告诉我们些什么。

来自宇宙微波靠山辐射的光在流传历程中会凭证宇宙的曲率发生偏折,这些光到达观察者眼里,使得温度涨落的亮斑看起来和现实尺寸有所差异,这被称为引力透镜效应。若是宇宙的曲率为正(如下图左),亮斑看起来会比平展宇宙中的更大一些;若是宇宙的曲率为负(下图右),则亮斑看起来会更小一些。凭证这条线索,天文学家可以将现实观察到的亮斑巨细与理论展望值对比,由此判断宇宙是不是平展的。

图片泉源:SMOOT COSMOLOGY GROUP / LBL

凭证1998年毫米波段气球观天设计(BOOMERanG)网络的宇宙微波靠山辐射数据,科学家们判断,现实的宇宙和宇宙学尺度模子展望的平展宇宙是一致的。这个结论被科学界普遍接受。这样看来,我们的宇宙更像是一张平面,而不是球面或者马鞍面。

而关于宇宙的拓扑结构,温度涨落又能告诉我们些什么呢?

今年7月揭晓于预印本网站arXiv上的一篇文章探讨了这个问题。研究职员关注到宇宙微波靠山辐射上随便两点的温度涨落的相关性,并把相关性写成两点距离(以角度示意)的函数。对普朗克卫星网络的数据举行云云处置后,研究职员发现,两点相距在60°~140°之间时,其温度涨落不具有相关性;而在无限大宇宙模子中,任何角度上的温度涨落相关性都存在。

研究职员推测,若是宇宙的巨细是有限的,一些温度涨落的模式会被抑制,因而在一些角度上不具有相关性。而假设宇宙的拓扑结构是三维环面,就能保证宇宙既是平展的,又是有限的。

研究职员对三维环面的宇宙举行了模拟,当这种拓扑结构的宇宙的巨细是可观察宇宙的3~4倍时,模拟获得的宇宙微波靠山辐射温度涨落相关性函数异常靠近现实观察。

这意味着,我们的宇宙很可能看起来像个三维的甜甜圈面。

未来的研究

不外对于宇宙的拓扑结构,或许我们不应这么早下结论。宇宙学研究的一个穷苦在于,宇宙只有一个,我们没有大量的样原本举行对照;宇宙的演化只有一次,我们今天看到的宇宙的样子,不清扫是一系列有时事宜的效果。例如,一个无限大的平展宇宙并非不能发生科学家们观察到的温度涨落相关性纪律,只不外这样的概率比甜甜圈状的宇宙小了许多而已。

我们或许不必着急,由于几项新的观察设计正在举行中。例如位于智利的西蒙斯天文台(Simons Observatory)正在执行观察义务,其目的是绘制出比普朗克卫星精度更高的宇宙微波靠山辐射极化图,第一份数据将于2022年获得。再好比,欧洲航天局(ESA)设计在2022年发射“欧几里得”号卫星,作为普朗克卫星的接替和弥补,将继续探索宇宙膨胀的历史以及宇宙结构的形成历程。我们期待在新的观察效果泛起后,关于宇宙的形状,科学家们又会有新的讨论。

撰文 | 白德凡

审校 | 王昱 吴非

论文链接:

泉源:全球科学

网友评论

3条评论
  • 2021-08-28 00:06:35

    新能源车生长一定会有个较长时间的过渡阶段,从插电混动,再到纯电动。在插电混动这条赛道,现在行业可能关注度还不够,但未来这个市场的体量会异常大,由于插电混动要解决的是中国2/3无车家庭的购车问题,让家庭第一部新能源车可油可电。甜蜜啊