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”。

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