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2019-12-24 中国科学报
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  宇宙是什么形状?它是闭合的,还是开放的?这不仅是一个令大众感到好奇的话题,也是长久以来令无数哲人智者痴迷的重要科学问题。最近,英国曼彻斯特大学宇宙学家埃莱奥诺拉·迪瓦伦蒂诺、意大利罗马大学宇宙学家亚历山德罗·梅尔基奥里、美国约翰斯·霍普金斯大学宇宙学家约瑟夫·西尔克根据最新观测数据考察了宇宙的形状问题。他们发现宇宙很可能是闭合的,这对以往天文学家公认的平坦的标准宇宙学模型提出了挑战。
  早在1917年,也就是爱因斯坦建立了描绘引力的场方程之后的第二年,他开始从场方程出发,研究宇宙的起源问题。爱因斯坦认为,在宇宙尺度上,物质分布应该是均匀和各向同性的。为此,他提出了著名的宇宙学原理。事实证明,这个原理与后来的天文观测惊人的一致。在宇宙学原理的基础上,爱因斯坦建立了一个闭合的、有限的宇宙模型。爱因斯坦认为,宇宙在大尺度上不仅是均匀和各向同性的,而且应该是静态的,所以他构建的是一个静态的闭合宇宙模型。

  1922年,俄国科学家弗里德曼通过求解爱因斯坦场方程,发现宇宙不一定是静态的,它可以是膨胀的。他根据宇宙学原理,发现爱因斯坦场方程有三种形式的解: 膨胀的三维欧几里得空间、膨胀的三维球和膨胀的三维伪球。三维欧几里得空间就是我们在日常生活中感知的三维平直空间,只是我们“感知”不到它的膨胀。三维球不是类似于实心铅球的东西,而是一个三维空间,在这个空间,去掉任何一个维度,得到的都是一个二维的球面,所以它是闭合的、有限的。三维伪球的截面则可以是二维的马鞍面,所以它是开放的、无限的。总之,根据宇宙学原理,空间有且仅有这三种形式。

  随后众多的天文观测表明,宇宙在空间上是非常接近平直的。这意味着去掉任何一个维度,得到的都是无穷大平面。所以,我们的宇宙空间应该是开放的、无限的。1980年,美国科学家阿伦·古斯提出暴胀理论,很好地解释了宇宙的这种空间平直性。暴胀理论告诉我们,宇宙在诞生之初,曾经发生过一次剧烈的体积膨胀过程。

  具体地讲,我们的宇宙从尺度为一亿亿亿亿分之一毫米,瞬间膨胀到了百分之一毫米, 体积膨胀了1090倍。这个倍数相当于把普通气球吹到当今宇宙(137 亿光年)那么大。如果这个气球的表面有一只小蚂蚁,那么它一定认为自己是趴在一个平面上。所以,即使宇宙这个“床单”最初非常皱,经过暴胀,也会被抻得非常平。暴胀结束,宇宙先后进入热膨胀和以物质为主的膨胀过程。到今天,宇宙处在物质(暗物质)和暗能量共同主宰,但暗能量主导的加速膨胀阶段。总之,暴胀理论加上平坦宇宙的标准宇宙学模型深入人心,几乎成了大家的共识——我们的宇宙是平直的、开放的。

  另一方面,在科学发展史上,我们经常看到一个非常有趣的现象:事出反常必有“妖”,极个别反常的现象往往引导人们做出一些伟大的发现。例如:黑体辐射的紫外灾难促使普朗克提出量子论;迈克尔逊—莫雷光速实验的异常结果与狭义相对论的诞生息息相关;水星近日点的反常运动需要爱因斯坦构建广义相对论来解释;测量星系旋转曲线得到的反常结果启发兹威基考虑宇宙中存在着暗物质;宇宙膨胀速度的反常(加速)促使人们猜测宇宙中存在暗能量。

  反常总是连连,惊喜总是不断。在2018年发布的普朗克宇宙微波背景谱上,人们又发现了一个反常,一个由引力透镜导致的反常的振幅增高。这个增高是以平直宇宙为基础的标准宇宙学模型所不能解释的。这促使迪瓦伦蒂诺、梅尔基奥里和西尔克三位宇宙学家重新审视宇宙的形状问题。他们发现,如果摒弃标准宇宙学的平直宇宙思想,代之以一个有限的、闭合的宇宙,则不仅可以很好地解释这种反常,而且可以大大缓和哈勃常数的危机,真可谓一举两得。目前,这一重要思想已经在2019年11月4日《自然—天文学》发表。

  宇宙微波背景辐射,堪称宇宙中最古老的物质,它是宇宙“大爆炸”产生的热辐射。2018年发布的普朗克卫星的宇宙微波背景辐射天图,是迄今人类对微波背景做出的最精确的测量。因此,对于在背景谱上发现的反常振幅增高,人们必须严肃对待。

  另一方面,自2018年始,关于哈勃常数的危机正在深深地困扰着宇宙学家。这一危机指的是,基于平直宇宙思想,对普朗克宇宙微波背景辐射谱做分析,得出今天的哈勃常数为66.9±0.6km/s/Mpc(Mpc代表3260000光年)或1.230.01m/m/l.y(即现今宇宙在1光年的尺度上膨胀速度为每分钟1.23米)。而通过对造父变星光谱的分析,得出今天的哈勃常数为73.4±1.4km/s/Mpc或1.350.03m/m/l.y,二者相差3个标准差,意味着在统计意义上存在着难以理解的巨大差异。相反,如果摒弃平直宇宙的思想,重拾闭合宇宙的观点,则这一巨大差异将被显著消除。

  总之,2018年发布的普朗克宇宙微波背景谱上的反常振幅增高,是以平直宇宙为基础的标准宇宙学模型所不能解释的。相反,一个闭合的、有限的三维球宇宙,则不仅可以很好地解释这一增高,而且可以极大地缓和近几年的哈勃常数危机。如果今后进一步的研究能够证实迪瓦伦蒂诺、梅尔基奥里和西尔克的发现,那么我们生活的宇宙空间就不是一个膨胀的三维欧几里得空间,而是一个膨胀的闭合三维球!这不仅又一次给宇宙学带来了深刻的危机——因为之前基于平直宇宙所做的努力都需要重新审视——同时这也将是一次时空观念的根本转变。

  (作者:高长军,系中国科学院国家天文台研究员)

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