宇宙的形状是什么样的？科学家称宇宙有三种形状 ， 而了解最后一种对于我们人类来说至关重要 ， 因为它可能推动我们科技的进步 。 广义相对论认为空间本身是可以弯曲的 ， 它允许宇宙有三种形式：像一张纸一样平坦 ， 像一个球体一样封闭 ， 或者像马鞍面一样敞开 。 这三种形式对天文几何学来说不是一件小事 ， 因为它表明宇宙的命运取决于它的形状 。 普林斯顿大学宇宙学家大卫·斯佩格尔所说：“宇宙的形状告诉我们它的过去和未来 。 ”宇宙是永远膨胀还是最终崩溃 ， 是有限的还是无限的 ， 这些都是与宇宙的形状相关 。
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但是霍金博士却说：宇宙的最终结构只取决于两个因素：它的密度和它的膨胀率 。 宇宙大约68%是暗能量 ， 27%是暗物质 。 其余的是正常的物质 ， 它解释了行星、恒星和其他天体 。 宇宙的密度是指在给定的空间体积内物质所含的质量 。 如果宇宙的密度大到足以使其引力克服膨胀力 ， 那么宇宙就会卷曲成一个球 。 这被称为封闭模型正曲率类似球体 。 这个宇宙的特性是 ， 它是有限的 ， 但它没有边界 。 一个星系际的费迪南麦哲伦可以环绕它 ， 永远穿越太空 ， 而不会撞到墙壁或从边缘坠落 。
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另一方面 ， 如果宇宙的密度很低 ， 无法阻止膨胀 ， 空间就会向相反的方向扭曲 。 这将形成一个开放的宇宙与负曲率类似的马鞍面 。 还有一个关于宇宙的“金发姑娘”假设 ， 科学家认为这是最有可能的 。 大多数宇宙学证据表明 ， 宇宙的密度是恰到好处的 ， 它每1.3立方的空间大约有六个质子 。 它向各个方向扩展 ， 没有正弯曲或负弯曲 。 换句话说 ， 宇宙是平的 。 平坦的宇宙是什么意思？这种平面不是我们在日常生活中经常遇到的二维平面 ， 但是你可以通过一些类比来想象它 。
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假设你站在一个正方形房间的一角 。 沿着墙走十英尺到下一个角落 ， 然后转90度 。 再走10英尺 ， 再转90度 。 多做两次 ， 你会发现自己又回到了起点 ， 这表明你已经走完了一个正方形 。 这是我们高中都学过的标准欧几里得几何 ， 多加一个维度就得到一个扁平的宇宙 。 但是在一个代表封闭宇宙的正弯曲空间上进行这个实验会产生不同的结果 。 这一次 ， 从地球赤道出发 ， 步行到北极 。 然后 ， 转90度 ， 走回赤道 。 再转90度 ， 走回你的起点 。 在平坦宇宙的例子中 ， 需要四个回合才能回到开始的地方 ， 但在封闭宇宙的中只需要三个回合 。
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如果你还在困惑 ， 这里有另一个例子：在一个平坦的宇宙中 ， 两个相邻飞行的火箭将始终保持平行 。 这不像是一个封闭的宇宙 ， 在这个宇宙中 ， 这两个火箭的路径会发散开来 ， 沿着空间的曲率跋涉 ， 最终绕圈到达它们开始的地方 。 在一个负向弯曲的、开放的宇宙中 ， 火箭将分离 ， 再也不会相遇 。 宇宙形状的最佳线索嵌入在宇宙微波背景（CMB）中 ， 大爆炸的余晖从四个方向辐射 。 在过去的几十年里 ， 科学家们反复测量了CMB的温度波动基本上以尽可能大的规模进行三角测量 ， 但是最终的结果却令科学家们大跌眼镜：几乎没有发现曲率 。 平坦的宇宙是标准宇宙学模型的关键部分 ， 它也被称为兰姆达冷暗物质（ΛCDM）模型 。 （Λ是希腊字母兰姆达 ， 表示暗能量 。 但是2019年末 ， 罗马萨皮恩扎大学的亚历山德罗·梅尔基奥里和他的同事发表了一篇论文 ， 结论是普朗克太空观测站的CMB测量表明宇宙是封闭的 。 ）他们分析了引力透镜的量：CMB的光线被其路径中物质的引力偏转了很多 ， 他们发现了一个比ΛCDM模型预测的数字更高的结论 。
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NASA的科学家称：“如果你去除一个平面宇宙的假设 ， 而不是试图将数据安装到错误的模型 ， 偏差就会消失 。 ”普朗克协作（梅尔基奥里是其中的一部分）也检测到透镜异常 ， 但没有发现它那么重要 。 英国布莱顿苏塞克斯大学的宇宙学家、普朗克团队成员安东尼·刘易斯说：“这是很容易得到的结论 。 ”他和大多数研究人员一样 ， 将这种差异归因于统计上的偶然性 。 梅尔基奥里承认 ， 他扮演了魔鬼的代言人 ， 但他相信科学家应该保持谦逊 ， 不要完全否定普朗克的数据 。
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【宇宙|宇宙的形状是什么样？科学家称宇宙有三种形状，了解最后一种至关重要】他的观点不是宇宙本身是封闭的 ， 只是这种不一致可能告诉我们一些重要的事情 。 他还认识到这一结论的影响 。 他和他的合著者认为这是一场宇宙危机 。 一旦我们假设一个封闭的宇宙 ， 现有的宇宙就会崩塌 。 因为有许多数据集开始与（普朗克数据）冲突 。 如果这是真的 ， 它将推翻数十年的天文发现 。 但除了这些数据 ， 没有任何理由证明宇宙是平的 。 CMB的其他测量结果 ， 如智利的阿塔卡马宇宙望远镜（ACT）和威尔金森微波无烟探测器的测量结果 ， 都与平坦度一致 。 来自其他来源的数据 ， 最明显的是大爆炸后发生的原始声波留在星系上的印记也表明宇宙是平坦的 。
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任何有如此压倒性证据支持的理论都会让大多数科学家对一个离群值持怀疑态度 。 斯珀格尔说：“梅尔基奥里论文并不荒谬 。 因为它确实描述了普朗克数据的一个特征 ， 它有利于正曲率 。 ”但是 ， 他补充说：“当我们去获取更多的数据时 ， 我们会看到一幅相当一致的平面宇宙图景 。 ”在12月发表的一篇论文中 ， 斯佩尔格尔和其他数十名与ACT相关的研究人员将他们自己的数据和其他数据集与普朗克数据相比较 。 他们发现没有偏离平坦的证据 ， 这些数据支持宇宙是统计波动的解释 。 自从梅尔基奥里论文发表以来 ， 包括剑桥大学宇宙学家乔治·埃夫斯塔蒂乌和史蒂文·格拉顿去年2月发表的论文 ， 也得出了同样的结论 。 就他们而言 ， 没有必要更新ΛCDM模型 。 所以 ， 至少现在 ， 宇宙似乎是一张三维纸 。
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但是 ， 正如梅尔基奥里并不坚持宇宙实际上是封闭的 ， 并不是所有的科学家都坚持宇宙实际上是平的 ， 从我们的角度来看 ， 这就是宇宙的样子 。 根据广义相对论 ， 我们仅仅可以观察有限的宇宙 ， 因此我们可能缺少一些东西 。 如果宇宙是弯曲的 ， 它一定是如此巨大 ， 以至于我们可以看到的整个930亿光年的区域 ， 但这个区域不足以揭示曲率 。 格拉顿说 ， 以地球为例 ， 我们好像站在雾中 ， 无法看到一片平坦的小土地 ， 但在看不见的地方 ， 地平线证明我们生活在一个球体上 。 当我们说宇宙是平的 ， 那是因为我们仅看到了宇宙的一小部分 ， 它与成为平面的一部分是一致的 。
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