“三选一的难题 最新研究倾向宇宙是个“球””

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具有巨大盘面的扁平球体就像巨大的铁饼。 这是我们活着的银河系的肖像画。 那么，宇宙是什么形状的呢

虽然很多科学家有很多预想，但这个疑问也总是没有正确的答案。 经过多年的观测和推导，这些猜想逐渐收敛于一个主流观点，宇宙处于无限平坦的三维空之间。

最近，英国曼彻斯特大学的研究者埃莉诺·拉瓦伦蒂诺等人通过普朗克卫星的观测数据观察指出，宇宙不像床单那样平坦，而是封闭的三维球面，可能像巨大的气球一样弯曲。 这项研究日前发表在《自然天文学》杂志上。

两种构想探索宇宙形状之谜

基于牛顿引力的牛顿宇宙观认为，宇宙分布在无穷无尽的三维欧几里得几何学空之间，即我们常说的立体几何学空之间，这空之间是无穷无尽的天体，其中有无限天体， 但是，这一假设并不完全与重力理论相协调，存在一些矛盾。

随后，当人们认识到弯曲空之间的概念后，宇宙有可能是三维球面。 中国科学院国家天文台研究员陈学雷在接受科技日报记者采访时认为，爱因斯坦建立了有限而无限的宇宙静态模型，宇宙可能是有限而闭合的三维球面。

根据广义相对论，物质的存在会弯曲时空。 在巨大质量的天体附近，光不是直线，而是描绘曲线。 后来发现，随着对宇宙的认识加深，实际上宇宙的真正形状有各种各样的可能性。

最常见的有三种可能性:直线三维欧几里得几何学空之间、弯曲的闭合三维球面、弯曲的三维双曲面。 陈学雷说，宇宙曲率分别为零、正、负时，呈现出宇宙所呈现的三种不同的形态。

在这三种可能的宇宙形状中，只有闭合的三维球面在有限的空之间。 三维双曲面像马鞍的形状一样，无限延伸在马鞍两侧之下。 平坦的三维欧几里得空之间更没有尽头了。

那么，这三种可能性到底哪个是宇宙的真正形状呢？ 我们怎么测量宇宙的形状呢？

第一，有两个构想。 一个是用几何的方法进行测量，另一个是用密度的方法进行定义。 陈学雷介绍。

在平坦空间的欧几里得几何学中，已知任何三角形的内角之和都为180。 但是，在球面上或曲率为正的曲面上，内角合计大于180。 另一方面，在双曲面或曲率为负的曲面中，三角形的内角合计小于180。 几何学测量法的原理是以观测者为顶点，在空之间选择两个点来构成三角形。 如果能够测量三条边的长度，欧几里得几何学中就能明确这个具有唯一性的三角形，并能够计算出其顶角的大小。 另一方面，通过直接观测我们所在的顶角的大小，也可以明确与计算值相比，是否一致，或者是否更大或者更小。

如果该顶角的观测值和计算值(真值)相等，则表示宇宙在平坦的三维欧几里德空之间。 观测值大于计算值时，光线表示横穿正曲率面。 也就是说，宇宙是球面。 观测值小于计算值时，表示宇宙为负曲率的双曲面。

另一种观点依赖于膨胀宇宙的整体密度和临界密度的关系。 临界密度取决于膨胀速度，某一时刻的膨胀速度越高，临界密度也越高。

根据广义相对论，宇宙的整体密度(即平均密度)等于临界密度时，宇宙形状在无限平坦的三维欧几里得空之间。 当总密度大于临界密度时，宇宙的几何学性质表现为球面几何学。 如果宇宙空之间的物质总量太少，其密度小于临界密度，宇宙就会表现为双曲几何学。

微波背景辐射引发了宇宙的神秘面纱

但是，按照几何学测量的想法，在宇宙尺度上，我们不能飞行足够的距离去实地探测。 因为不仅在银河系内，即使在银河系周边测量，得到的也只是局部曲率，不是整个宇宙的真正曲率。 地球有高山、盆地，高低不平，但地球整体上是球体。

如果按照宇宙密度的想法进行研究，实际操作也很困难。 测量了与哈勃常数相关的临界密度值，因为宇宙整体的密度不太准确。 银河间存在着广阔的空间，银河内和银河间的空间的密度差异很大。 而且，宇宙中还存在着没有被观测到的所谓暗物质，其数量有可能远远超过现在的可视物质，给整体密度的测量带来了很大的不明确因素。

宇宙微波背景辐射有助于推算宇宙的平均密度。 20世纪90年代末的毫米波段气球观测计划中，通过收集宇宙微波背景辐射的数据，测量出了宇宙整体密度与临界密度之比接近1。 虽然实验存在误差，但基于该结果，因此认为宇宙中没有明显的正曲率和负曲率，大致为平坦光滑的空间结构。 陈学雷说，这也与宇宙膨胀理论预测的平坦宇宙相吻合。

年，欧空局( esa )的普朗克巡天计划公布了更加准确的观测数据。 在尽量消除相关实验误差后，根据欧洲航天局的数据，宇宙曲率趋于正，即宇宙形状趋于封闭球面，但这种趋势不太明显。 陈学雷说。

在此次研究中，瓦伦蒂诺等人通过普朗克卫星观测得到了宇宙微波背景辐射引力透镜化程度的数据基础，并分析了大量数据，利用不同的模型拟合了这些数据，相关计算表明宇宙为封闭球面的概率约为99%。

结果更可靠但争论尚未尘埃落定

这个研究结果可信吗？ 宇宙形状的争论也由这个尘埃决定吗？

这次研究中使用的统计学研究不完美，有一定的误差。 但是，如果事实确实如此，那必然会推翻以前流传下来的很多认识。 陈学雷告诉科技日报记者，研究人员有可能低估统计误差，因此真相的概率可能没有99%那么高。

值得注意的是，所有参数推导都基于一定的模型，例如可以通过时间和速度来计算路程。 路程、时间、速度三者的关系是一个简单的模型。 在这项研究中，使用的模型本身是否包含所有的物理学效果还不清楚，值得进一步研究。 陈学雷指出，例如，如果没有考虑到某些效果，或者有一点未知的效果，就会影响对宇宙真实形状的评价。

研究者也说:“我不想说我相信封闭的宇宙。 他认为，这个结果只表明了与以往研究的不同，至于为什么会有这个不同，应该仔细探索其原因。

宇宙的形状不在平坦的三维欧几里德空之间的研究也过去被进行过。 为什么这次的研究受到学术界的关注？

在以往的研究中，一般通过宇宙微波背景辐射的热斑来评价宇宙形状。 陈学雷告诉记者，宇宙微波背景辐射的温度不均匀。 宇宙中早期存在声波振动，第一次振动产生的热斑最大。 以往的研究相当于根据这最大热斑画三角形，测量宇宙的曲率。 实际上，如果更改其中的某些参数，则不同的模型可能会拟合同一条曲线。 这是因为精度相对较低，可靠性也较低。

这次的研究结果比较可靠，即不仅分解了最大热斑的三角形，也分解了其他振动引起的热斑的三角形，宇宙为封闭球面。 陈学雷表示，文案中还提到了宇宙微波背景辐射以外的观测，如超新星等，表明拟合效果不理想，还有待考虑，需要进一步探索。