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宇宙可能是弯曲的:像巨大的气球

http://finance.sina.com   2019年11月06日 16:03   北京新浪网

利用普朗克卫星的早期数据绘制的宇宙微波背景辐射图像利用普朗克卫星的早期数据绘制的宇宙微波背景辐射图像

  新浪科技讯 北京时间11月7日消息,我们已知关于宇宙形状的一切可能都是错的。根据一项新的研究,宇宙可能不是像床单一样平坦,而是像一个巨大的气球一样弯曲,而且这个气球还在不断膨胀。

  这是11月4日发表在《自然-天文学》(Nature Astronomy)杂志上的一篇论文的结论。该论文研究了宇宙微波背景(CMB)的数据,这是大爆炸遗留下来的微弱热辐射。然而,并不是所有人都信服这项新研究。研究人员的发现基于2018年发布的数据,既与多年来的传统观点相悖,也与最近另一项基于同一宇宙微波背景数据集的研究矛盾。

  这篇新论文称,如果宇宙是弯曲的,那这种弯曲会十分平缓,对我们的生活,或者太阳系甚至银河系的移动都不会产生很大的影响。但是,如果我们走出银河系,深入到黑暗太空中,一直以直线行进,那么最终你会绕一个圈,回到开始的地方。宇宙学家将这一概念称为“封闭宇宙”。尽管已经存在了一段时间,但封闭宇宙的概念并不符合现有的宇宙运行理论,因此在很大程度上被科学家拒绝,取而代之的是所谓的“平坦宇宙”。在平坦宇宙中,宇宙向各个方向延伸,没有边界,也不围绕自身循环。现在,研究人员在测量宇宙微波背景时得到了异常的数据资料,为封闭宇宙观点提供了坚实的(但不是绝对的)证据。

  梅尔基奥里在接受采访时表示,开放宇宙就像一条被拉伸的床单,而封闭宇宙则更像一个膨胀的气球。无论哪种情况,整个宇宙都在扩张。当床单展开时,每个点都在一条直线上远离另一个点;当气球膨胀时,其表面的每个点也离其他点越来越远,但由于气球的曲率,使这种远离运动的几何学更加复杂。

  “这意味着,如果有两个光子,当它们在一个封闭的宇宙中平行移动时,它们(最终)会相遇,”梅尔基奥里说道。但是,如果是在一个开放、平坦的宇宙中,光子在不受干扰的情况下,会一直沿着平行方向运动,而不会相互作用。

  梅尔基奥里表示,传统的宇宙膨胀模型表明,宇宙应该是平的。当我们回溯到宇宙膨胀的开始,到大爆炸后最初的0.0000000000000000000000001秒,根据大爆炸模型,你会看到一个难以置信的时刻:宇宙从最初那个无限小的点开始爆发,然后以指数级膨胀。迅速膨胀的物理学模型指向的是一个平坦的宇宙,这也是大多数科学家支持“平坦宇宙”的首要原因。

  梅尔基奥里指出,如果宇宙并不平坦,你就必须“微调”原始机制的物理原理,使其完全吻合,并在此过程中重新进行无数其他的计算。研究人员在新研究中写道,这一过程最终很可能是必不可少的,因为宇宙微波背景数据出现了异常。

  宇宙微波背景辐射是我们在宇宙中能探测到的最古老的东西,由微弱的热辐射(微波)构成。当你把恒星、星系和其他干扰阻挡在外时,宇宙微波背景辐射就会充满整个空间。宇宙微波背景是关于宇宙历史和行为最重要的数据来源之一,因为它太古老了,而且遍布整个宇宙。根据最新的数据,宇宙微波背景辐射的“引力透镜效应”比预期的要大得多,这意味着引力对宇宙微波背景辐射的弯曲作用似乎超过了现有物理学所能解释的范围。

  研究团队利用的数据来自于2018年发布的普朗克卫星实验。这是欧洲空间局(ESA)的一项科学计划,旨在尽可能更详细地绘制宇宙微波背景辐射。新的数据将发表在即将出版的《天文学与天体物理学》(Astronomy & Astrophysics)杂志上,目前已经可以在欧洲空间局的网站上找到。迪·瓦伦蒂诺和梅尔基奥里也参与了这项计划。

  为了解释额外的引力透镜现象,普朗克卫星协作团队在该研究小组的宇宙形成模型中加入了一个额外的变量,科学家称之为“A_lens”。梅尔基奥里表示,这个变量是另外放进去的,用来解释所看到的异常现象,和物理学没有关系。换句话说,在爱因斯坦的相对论中并没有A_lens这个参数。“我们发现,A_lens可以用正曲率的宇宙来解释,这比用广义相对论来解释的更符合物理学,”梅尔基奥里说道。

  梅尔基奥里还指出,这种解释并不是结论性的。根据研究小组的计算,普朗克卫星的数据指向正曲率宇宙(即封闭宇宙)的显著性水平超过99%。

  不过,一些宇宙学家表示,这项研究还有很多值得怀疑之处。美国斯坦福大学的宇宙学家安德烈·林德(Andrei Linde)表示,《自然-天文学》杂志的论文没有考虑到10月1日发表在arXiv数据库上的另一篇重要论文(该论文尚未发表在同行评议期刊上)。那篇论文的作者,剑桥大学的宇宙学家乔治·埃夫斯塔西奥(George Efstathiou)和史蒂芬·格拉顿(Steven Gratton)也参与了普朗克合作项目,他们研究的数据要少于梅尔基奥里等人发表在《自然-天文学》的论文。他们的分析结果也支持了一个弯曲的宇宙,但与这项涉及更多普朗克数据的新研究相比,他们的统计可信度要低得多。然而,当埃夫斯塔西奥和格拉顿将这些数据与其他两个早期宇宙的现有数据集一起研究时,却发现,总体而言,这些证据指向了一个平坦的宇宙。

  当被问及如何评价埃夫斯塔西奥和格拉顿的论文时,梅尔基奥里称赞他们对数据的精心处理,但表示两人的分析所依赖的普朗克数据片段太少。他还指出,他们的研究基于改良版的普朗克数据,而不是600多名物理学家审查过的公共数据。

  安德烈·林德则认为,这种重新分析表明,埃夫斯塔西奥和格拉顿的论文基于更好的方法。埃夫斯塔西奥在一封电子邮件中指出,如果宇宙是弯曲的,那将会带来许多问题,与其他早期宇宙的数据集和膨胀观测结果相矛盾。

  梅尔基奥里也认为,封闭宇宙模型会给物理学带来很多问题。“我不想说我相信宇宙是封闭的,”他说,“我比较中立。我会说,让我们等待现有数据和新数据能说明什么吧。我认为现在的结果存在矛盾,我们必须很小心地找出造成这个矛盾的原因。”(任天)

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