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竟然是圓的嗎?宇宙可能是彎曲的:像巨大的氣球

2019-11-07 09:52:52  來源:新浪科技

利用普朗克衛星的早期數據繪制的宇宙微波背景輻射圖像

利用普朗克衛星的早期數據繪制的宇宙微波背景輻射圖像

北京時間11月7日消息,我們已知關于宇宙形狀的一切可能都是錯的。根據一項新的研究,宇宙可能不是像床單一樣平坦,而是像一個巨大的氣球一樣彎曲,而且這個氣球還在不斷膨脹。

這是11月4日發表在《自然-天文學》(Nature Astronomy)雜志上的一篇論文的結論。該論文研究了宇宙微波背景(CMB)的數據,這是大爆炸遺留下來的微弱熱輻射。然而,并不是所有人都信服這項新研究。研究人員的發現基于2018年發布的數據,既與多年來的傳統觀點相悖,也與最近另一項基于同一宇宙微波背景數據集的研究矛盾。

這篇新論文稱,如果宇宙是彎曲的,那這種彎曲會十分平緩,對我們的生活,或者太陽系甚至銀河系的移動都不會產生很大的影響。但是,如果我們走出銀河系,深入到黑暗太空中,一直以直線行進,那么最終你會繞一個圈,回到開始的地方。宇宙學家將這一概念稱為“封閉宇宙”。盡管已經存在了一段時間,但封閉宇宙的概念并不符合現有的宇宙運行理論,因此在很大程度上被科學家拒絕,取而代之的是所謂的“平坦宇宙”。在平坦宇宙中,宇宙向各個方向延伸,沒有邊界,也不圍繞自身循環。現在,研究人員在測量宇宙微波背景時得到了異常的數據資料,為封閉宇宙觀點提供了堅實的(但不是絕對的)證據。

梅爾基奧里在接受采訪時表示,開放宇宙就像一條被拉伸的床單,而封閉宇宙則更像一個膨脹的氣球。無論哪種情況,整個宇宙都在擴張。當床單展開時,每個點都在一條直線上遠離另一個點;當氣球膨脹時,其表面的每個點也離其他點越來越遠,但由于氣球的曲率,使這種遠離運動的幾何學更加復雜。

“這意味著,如果有兩個光子,當它們在一個封閉的宇宙中平行移動時,它們(最終)會相遇,”梅爾基奧里說道。但是,如果是在一個開放、平坦的宇宙中,光子在不受干擾的情況下,會一直沿著平行方向運動,而不會相互作用。

梅爾基奧里表示,傳統的宇宙膨脹模型表明,宇宙應該是平的。當我們回溯到宇宙膨脹的開始,到大爆炸后最初的0.0000000000000000000000001秒,根據大爆炸模型,你會看到一個難以置信的時刻:宇宙從最初那個無限小的點開始爆發,然后以指數級膨脹。迅速膨脹的物理學模型指向的是一個平坦的宇宙,這也是大多數科學家支持“平坦宇宙”的首要原因。

梅爾基奧里指出,如果宇宙并不平坦,你就必須“微調”原始機制的物理原理,使其完全吻合,并在此過程中重新進行無數其他的計算。研究人員在新研究中寫道,這一過程最終很可能是必不可少的,因為宇宙微波背景數據出現了異常。

宇宙微波背景輻射是我們在宇宙中能探測到的最古老的東西,由微弱的熱輻射(微波)構成。當你把恒星、星系和其他干擾阻擋在外時,宇宙微波背景輻射就會充滿整個空間。宇宙微波背景是關于宇宙歷史和行為最重要的數據來源之一,因為它太古老了,而且遍布整個宇宙。根據最新的數據,宇宙微波背景輻射的“引力透鏡效應”比預期的要大得多,這意味著引力對宇宙微波背景輻射的彎曲作用似乎超過了現有物理學所能解釋的范圍。

研究團隊利用的數據來自于2018年發布的普朗克衛星實驗。這是歐洲空間局(ESA)的一項科學計劃,旨在盡可能更詳細地繪制宇宙微波背景輻射。新的數據將發表在即將出版的《天文學與天體物理學》(Astronomy & Astrophysics)雜志上,目前已經可以在歐洲空間局的網站上找到。迪·瓦倫蒂諾和梅爾基奧里也參與了這項計劃。

為了解釋額外的引力透鏡現象,普朗克衛星協作團隊在該研究小組的宇宙形成模型中加入了一個額外的變量,科學家稱之為“A_lens”。梅爾基奧里表示,這個變量是另外放進去的,用來解釋所看到的異常現象,和物理學沒有關系。換句話說,在愛因斯坦的相對論中并沒有A_lens這個參數。“我們發現,A_lens可以用正曲率的宇宙來解釋,這比用廣義相對論來解釋的更符合物理學,”梅爾基奧里說道。

梅爾基奧里還指出,這種解釋并不是結論性的。根據研究小組的計算,普朗克衛星的數據指向正曲率宇宙(即封閉宇宙)的顯著性水平超過99%。

不過,一些宇宙學家表示,這項研究還有很多值得懷疑之處。美國斯坦福大學的宇宙學家安德烈·林德(Andrei Linde)表示,《自然-天文學》雜志的論文沒有考慮到10月1日發表在arXiv數據庫上的另一篇重要論文(該論文尚未發表在同行評議期刊上)。那篇論文的作者,劍橋大學的宇宙學家喬治·埃夫斯塔西奧(George Efstathiou)和史蒂芬·格拉頓(Steven Gratton)也參與了普朗克合作項目,他們研究的數據要少于梅爾基奧里等人發表在《自然-天文學》的論文。他們的分析結果也支持了一個彎曲的宇宙,但與這項涉及更多普朗克數據的新研究相比,他們的統計可信度要低得多。然而,當埃夫斯塔西奧和格拉頓將這些數據與其他兩個早期宇宙的現有數據集一起研究時,卻發現,總體而言,這些證據指向了一個平坦的宇宙。

當被問及如何評價埃夫斯塔西奧和格拉頓的論文時,梅爾基奧里稱贊他們對數據的精心處理,但表示兩人的分析所依賴的普朗克數據片段太少。他還指出,他們的研究基于改良版的普朗克數據,而不是600多名物理學家審查過的公共數據。

安德烈·林德則認為,這種重新分析表明,埃夫斯塔西奧和格拉頓的論文基于更好的方法。埃夫斯塔西奧在一封電子郵件中指出,如果宇宙是彎曲的,那將會帶來許多問題,與其他早期宇宙的數據集和膨脹觀測結果相矛盾。

梅爾基奧里也認為,封閉宇宙模型會給物理學帶來很多問題。“我不想說我相信宇宙是封閉的,”他說,“我比較中立。我會說,讓我們等待現有數據和新數據能說明什么吧。我認為現在的結果存在矛盾,我們必須很小心地找出造成這個矛盾的原因。”(任天)

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