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只要我们走出宇宙，然后围着宇宙转几圈，就可以知道宇宙是什么形状，然而这就目前的情况来看，这似乎是不可能的。所以我们只能通过对宇宙的认知来推测宇宙的形状是什么样子。 如果我们把一个空间里的所有物质全部拿走，那还剩下了什么？答案是什么都没有了吗？错，其实剩下的至少还有空间本身。爱因斯坦在广义相对论中指出，空间是客观存在的，并且空间还会因为物质质量的存在而产生弯曲，具体表现在物质的质量越大，空间的弯曲程度就越高。 值得一提的是，这个理论可以很好地解释引力的本质，比如说太阳因为庞大的质量而使周围的空间产生了明显的弯曲，地球在这个弯曲的空间中沿着测地线运动，就变成了围绕着太阳转圈，这样就造成了引力效应。 （由于我们无法用额外的维度来描述这种时空的弯曲，因此上图其实是降了一维） 如果爱因斯坦是正确的，那么宇宙的形状就应该是由宇宙中的所有物质的质量“合力”塑造而成，而根据宇宙学原理，宇宙中的每一处空间都是等效的，这就意味着，宇宙空间在整体上拥有一个统一的曲率，而从理论上来讲，在这种情况下，宇宙的形状只可能有三种。 如上图所示（注意，这也是降了一维的），如果宇宙空间的曲率为零，那么宇宙的形状就是平坦的三维空间，就像一张平坦的“纸”一样，如果为正则是一个封闭的球形（三维球面），而如果为负的话，宇宙的形状就是一个三维的马鞍面。 那么问题来了，宇宙到底属于哪一种？是一张平坦的“纸”，还是一个封闭的球形？又或者是一个“马鞍面”呢？很明显，我们需要去测量宇宙空间的曲率。 根据“大爆炸宇宙论”，宇宙形成于大约137亿年前的宇宙大爆炸，而在宇宙诞生之初所产生的那些古老的光线（电磁波），至今仍然在整个宇宙中传播，只不过在穿越了漫长的时间和空间之后，它们早已成为了微波，这些微波均匀地分布在整个宇宙空间里，就像宇宙的背景一样，所以这就被称为宇宙微波背景辐射。 科学家认为，宇宙微波背景辐射的光子在宇宙中传播了非常遥远的距离，如果宇宙空间真的存在曲率的话，那么它们肯定也会因此而受到影响，从而在微波背景辐射图中表现出来（具体分析见下图）。 2001年，威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）发射升空，它的任务就是观测宇宙微波背景辐射的细微变化，在对这个探测器多年来传回的数据进行深入研究之后，科学家得出一个结论，即宇宙空间并不存在曲率，换句话来讲就是，宇宙的形状是一张平坦的“纸”。 然而在2019年11月4日，一篇发表在《自然》杂志上的论文《普朗克证明宇宙密闭和宇宙学可能发生的危机》却指出，根据普朗克卫星传回的数据，宇宙空间的曲率应该为正，也就是说，宇宙的形状应该是一个封闭的球形，这是怎么回事呢？我们接着看。 （注：普朗克卫星也是一个宇宙微波辐射探测器，该探测器于2009年发射升空，与WMAP卫星相比，它拥有更加灵敏的角解析力） 宇宙空间的曲率受到两种力量的影响，一方为宇宙本身的物质质量产生的引力，其作用是让宇宙空间的曲率为正，另一方则是宇宙膨胀产生的斥力，其作用是让宇宙空间的曲率为负，当这两种力量正好平衡的时候，宇宙空间的曲率就为零，在这种情况下，宇宙就是平坦的三维空间。 只要我们知道了宇宙的膨胀率，也就是哈勃常数，就可以计算出与之刚好平衡的引力，进而计算出宇宙在这种情况下的密度，这个密度就被称为“宇宙临界密度”，科学家通过计算后得出，“宇宙临界密度”为每立方米大约5.7个质子的质量。 也就是说，如果实际测出的宇宙平均密度等于这个值，宇宙就是平坦的三维空间，如果比这个值低，宇宙就是三维的马鞍面，而如果比这个值高，宇宙就是一个封闭的球形。 上述论文的研究人员指出，通过对宇宙微波背景辐射“引力透镜化程度”的分析，他们计算出宇宙的实际平均密度大约为每立方米6个质子的质量（这比“宇宙临界密度”要高出大约5%），并据此推测出宇宙是封闭的。 不得不说，如果这种推测成立的话，宇宙就不是我们想象中的那样无边无际，在这种情况下，假如我们在宇宙中向着同一个方向一直前进，那么在很久很久以后，我们将回到自己出发时的位置。 然而由于我们目前对哈勃常数的测量并不准确，具体表现为用不同的方法测得的哈勃常数存在着明显的差异，这就会造成我们对“宇宙临界密度”的计算不准确，所以在此基础上推测出的结论并没有得到大多数科学家的认同，就目前的情况来看，尽管宇宙的形状还存在着较大的争议，但总的来讲，大多数科学家还是倾向于宇宙是一张平坦的“纸”。 好了，今天我们就先讲到这里，欢迎大家关注我们，我们下次再见。 |
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