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【最新研究】宇宙的形狀是什麼樣的?國外物理學家新研究表明,宇宙可能是個「甜甜圈」
2023/07/31

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宇宙的形狀是什麼樣的?這是一個困擾了人類數千年的問題。我們生活在一個三維的空間中,但我們是否能夠看到空間本身的形狀呢?

可觀測宇宙8.8×1026 米,28.5 × 109秒差距(93 × 109光年)

在這之前,科學家們利用從大爆炸遺留下來的微弱光線——宇宙微波背景輻射(CMB)來探測宇宙的幾何性質。他們發現,所有迄今為止的觀測都表明,宇宙是平坦的。這意味著,如果我們沿著一條直線飛行,我們永遠不會回到起點。

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普朗克衛星拍攝的宇宙微波背景圖像。CMB 波動的大小表明宇宙是平坦的,但新的研究表明它仍然可能是曲折的

然而,最近有一項新的研究挑戰了這個普遍接受的觀點。這項研究發表在《自然·天文學》雜志上,作者是來自英國、意大利和美國的三位天體物理學家。他們重新分析了此前發布的CMB數據,并發現其中存在一些奇怪的模式。這些模式可以用一個更復雜的形狀來解釋:一個巨大而膨脹的氣球。

換句話說,宇宙可能像甜甜圈一樣有形狀。

什麼是平坦和曲面?

在幾何學中,「平坦」指的是平行線在無限延伸時的行為。想象一張桌子:從桌子上開始平行地畫兩條線,在沿著桌子長度方向延伸時,這兩條線將保持平行。相比之下,看看地球:經線在赤道處開始完全平行,但最終會在兩極相交。

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平行線最初相交揭示了地球并不是平坦的。

宇宙微波背景輻射(CMB、CMBR)是充滿所有空間的微波輻射。它是一個遺跡,為原始宇宙提供了重要的數據來源。

同樣的邏輯也適用于三維空間中。例如,在CMB中存在著天空上溫度微小波動。天文學家計算了這些波動預期大小與觀測值之間差異。如果測量值與預期值不同,則意味著那些起初平行運動光線在時空中改變了方向,表明宇宙幾何結構是彎曲而非平坦。

但根據對CMB數據進行精確測量后得出結論顯示,在忽略星系和黑洞等小尺度偏轉后,整個宇宙幾何結構基本上是平坦無邊界且不會環繞自身。

然而,并非所有平面都相同

例如,在紙上畫兩條平行線,并將紙卷成圓柱體,則兩條直線仍然保持平行并沿著圓柱體循環運動;或者將紙卷成環面(即甜甜圈),則兩條直線也保持不變;或者將紙卷成莫比烏斯帶(即只有一個邊界和一個面),則兩條直線會相交并覆蓋整個表面。

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是一種只有一個面(表面)和一條邊界的曲面,也是一種重要的拓撲學結構。它是由德國數學家、天文學家莫比烏斯和約翰·李斯丁在1858年獨立發現的。

數學家稱之為拓撲性質——即空間可以被拉伸或者變形,而不會破裂。這些形狀在數學上都是平坦的,但在物理上卻有著不同的性質。

那麼,宇宙是否有可能具有這樣一種拓撲性質呢?換句話說,宇宙是否可能像甜甜圈一樣是平坦的,但卻有著一個環形結構呢?

這個問題并不容易回答。因為要檢測宇宙的拓撲性質,我們需要觀測到比CMB更遠的光線。如果我們能夠看到從相同方向來自不同距離的相同物體,那就意味著我們已經繞過了整個宇宙,并且看到了同一個物體的多個副本。然而,目前我們還沒有發現這樣的證據。

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奇怪的模式

但是,在CMB中存在著一些奇怪的模式,可能暗示了宇宙拓撲性質的存在。這些模式被稱為「異常」,因為它們與描述了大爆炸和后續演化過程的標準模型所預測的不符。

其中一個異常被稱為「缺失功率」。簡單地說,這意味著CMB中最[[大尺度]]上溫度波動比預期要小。另一個異常被稱為「冷斑」。這是指CMB中一個特別低溫和大面積區域,在統計上看起來非常罕見。

以角尺度(或多極矩)表示的宇宙微波背景輻射溫度各向異性的功率譜。顯示的數據來自WMAP (2006)、Acbar (2004) Boomerang (2005)、CBI (2004) 和VSA (2004) 儀器。還顯示了一個理論模型(實線)

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科學家們對這些異常提出了各種解釋,包括儀器誤差、數據分析方法、初期暴漲階段、暗能量、暗物質等等。然而,沒有一個解釋能夠完全令人滿意。

但這項新研究提出了另一種可能性:也許這些異常反映了宇宙拓撲性質對CMB產生影響。作者使用普朗克衛星發布的數據,并采用了一種新穎且復雜的統計方法來分析CMB中最[[大尺度]]上溫度波動之間相關性。

他們發現,在假設標準模型成立并且忽略任何拓撲效應時,他們得到了與以往相同結果:即缺失功率和冷斑等異常依然存在,并且與標準模型預測值之間存在顯著差異。

COBE、WMAP和Planck的CMB結果比較

然而,在假設標準模型成立并且考慮拓撲效應時,他們得到了一個驚人結果:即如果假設宇宙像甜甜圈一樣具有環面結構,則所有異常都可以得到很好地解釋,并且與觀測值之間沒有顯著差異。

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也就是說,在考慮拓撲效應后,標準模型可以更好地描述CMB數據,并且支持一個閉合而非開放的平坦空間。

挑戰和未來

威爾金森微波各向異性探測器( WMAP ),最初被稱為微波各向異性探測器(MAP和Explorer 80),是2001 年至 2010 年運行的NASA航天器,用于測量宇宙微波背景(CMB)中整個天空的溫差- 輻射點大爆炸留下的熱量

當然,并非所有人都接受這個驚人結果。首先,發表在《自然·天文學》雜志上另一篇論文中 ,普朗克衛星團隊使用不同方法分析相同數據集時并沒有發現任何拓撲效應的證據。相反,他們得出了一個與以往相同的結論:即宇宙是平坦且開放的。

其次,在這項新研究中使用的統計方法也受到了一些批評。

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有人認為,這種方法可能會導致過度擬合數據,并且沒有考慮到其他可能導致異常的因素。

因此,要想確定宇宙是否真的像甜甜圈一樣有形狀,我們還需要更多的觀測和分析。未來,更高靈敏度和更高分辨率的CMB探測器,以及對遙遠星系和超新星等其他天體光線進行測量,可能會為這個問題提供更多線索。

如果最終證實宇宙確實具有環面結構,那麼這將對我們對宇宙起源和演化的理解產生深遠影響。我們將不得不重新思考大爆炸模型、暗物質、暗能量等基本概念,并尋找一個能夠解釋所有觀測現象的更廣泛和更完善的理論。

也許,在某一天,我們會發現自己生活在一個巨大而美味的甜甜圈中。

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