1919年|在高维空间中,我们的宇宙是什么形状?卫星观测数据已经给出参考答案
1919年 , 天文学家爱丁顿组织了两个日食观测团队 , 分别前往非洲的普林西比岛以及南美洲的巴西 , 他们的目的并不是观赏日食奇观 , 而是为了验证爱因斯坦在广义相对论中提出的一个理论:具有质量的物体会让空间发生弯曲 , 并且物体的质量越大 , 空间就弯曲得越厉害 。
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太阳是太阳系中质量最大的天体 , 它无疑就是一个理想的观测对象 , 根据广义相对论的预言 , 当远处恒星发出的光线在经过太阳附近时 , 会发生1.74弧秒的偏转 , 这是可以观测到的 , 由于太阳实在是太亮了 , 所以相关的观测就只有在日食的时候进行 。
此次观测结果是 , 远处恒星发出的光线在经过太阳附近时确实发生了偏转 , 其中普林西比岛观测到的偏转角为1.61弧秒 , 巴西观测到的偏转角为1.98弧秒 , 实际观测值与广义相对论的理论值非常接近 。
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爱丁顿的观测结果证明了广义相对论是正确的 , 自此之后 , 人们知道了原来空间可以弯曲 , 但问题是 , 空间到底是怎么弯曲的呢?其实在三维的空间中 , 我们是无法看到这种弯曲的 , 换句话来讲就是 , 只有在更高维的空间中 , 我们才能看到空间是如何弯曲的 。
既然空间可以发生弯曲 , 那在高维空间中 , 我们的宇宙是什么形状呢?
根据宇宙学原理 , 宇宙空间在整体上是处处等效的 , 也就是说 , 宇宙的质量会使宇宙具备一个整体上的曲率 , 根据曲率的不同 , 宇宙的形状也就不同 , 从理论上来讲 , 宇宙可能会是以下三种形状 。
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如上图所示 , 当宇宙整体的曲率为正时 , 宇宙的形状就是一个封闭的三维球面 , 为负则是开放的三维马鞍面 , 而当宇宙整体的曲率为零时 , 宇宙的形状就是一个开放的三维平坦空间(注:因为我们无法描述更高维度是啥样 , 所以上图其实是减少了一个维度) 。
由此可知 , 只要我们知道了宇宙的曲率 , 就可以知道宇宙在高维空间中到底是什么形状 , 实际上 , 关于宇宙的曲率 , 卫星观测数据已经给出参考答案 。 我们来看看具体是怎么回事 。
在我们的宇宙中 , 一直存在着两大“势力”的较量 , 其中是一方是万有引力 , 它起的效果是让宇宙的曲率为正 , 另一方则是推动宇宙膨胀的暗能量 , 它起的效果是让宇宙的曲率为负 。
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很明显 , 当万有引力与暗能量“势均力敌”时 , 宇宙的曲率就为零 , 而由于万有引力与质量密切相关 , 因此我们就可以根据宇宙的膨胀率(即哈勃常数)计算出与之平衡的万有引力 , 再进一步计算出这种情况下的宇宙平均密度 , 而这个密度就被称为“宇宙临界密度” 。
科学家认为 , 假如实际测量到的宇宙平均密度高于这个“宇宙临界密度” , 就说明宇宙的曲率为正 , 反之则为负 , 而如果两者相等 , 宇宙的曲率就为零 。 那么应该如何测量宇宙的平均密度呢?这就要借助宇宙微波背景辐射了 。
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宇宙微波背景辐射被称为“宇宙中最古老的光子” , 它们产生于宇宙诞生之初 , 由于光速的限制 , 直到现在它们仍然在宇宙空间中传播 。
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