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宇宙的形狀是什么？是平的還是球形狀的？( 二 )


宇宙的形狀是什么？是平的還是球形狀的？
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值得注意的是：當我們把廣義相對論的場方程應用于我們的宇宙時，我們的物質和能量充滿，膨脹，各向同性（所有方向上的平均密度相同）和均質（所有位置上的平均密度相同）宇宙——我們發現三者之間有著復雜的關系：
宇宙中各種物質和能量的總和，宇宙在最大的宇宙尺度上整體膨脹的速度，以及宇宙的曲率。
宇宙的形狀是什么？是平的還是球形狀的？
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宇宙，在熱大爆炸的最早時刻，非常熱，非常稠密，而且膨脹也非常迅速。因為，在廣義相對論中，時空結構本身的演化方式完全依賴于它內部的物質和能量，對于這樣的宇宙如何隨時間演化，實際上只有三種可能性。
如果膨脹率對于你的宇宙中的物質和能量來說太低，物質和能量的綜合引力效應會減慢膨脹率，使它停止，然后使它反轉方向，導致收縮。在短時間內，宇宙將在一個巨大的危機中消失。如果膨脹率對于你的宇宙中的物質和能量來說太高，引力不僅不能阻止和逆轉膨脹，它甚至可能不能實質性地減緩膨脹。宇宙經歷失控膨脹的危險是非常大的，經常使星系、恒星甚至原子的形成成為不可能。但如果它們平衡得恰到好處——膨脹率、總物質和能量密度——你就可以得到一個宇宙，它既能永遠膨脹，又能形成許多豐富復雜的結構。
宇宙的形狀是什么？是平的還是球形狀的？
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最后一個選項描述了我們的宇宙，在那里一切都是很平衡的，但它需要一個總的物質和能量密度，與早期的膨脹率非常匹配。
事實上，我們的宇宙是以我們觀察到的性質存在的，這告訴我們，在很早的時候，宇宙必須至少非常接近于平面。物質和能量對于膨脹率來說太多的宇宙會有正曲率，而物質和能量太少的宇宙會有負曲率。只有完全平衡的情況下才會是平的。
宇宙的形狀是什么？是平的還是球形狀的？
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但宇宙有可能在極大的尺度上彎曲：甚至可能比我們所能觀察到的宇宙部分還要大。你可能會考慮在我們自己的位置和兩個遙遠的星系之間畫一個三角形，把內角加起來，但我們唯一能做的就是去那些遙遠的星系旅行，這是我們目前還不能做到的。在技術上，我們目前只局限于我們自己的宇宙一角。就像你不能把自己限制在自己的后院里來測量地球的曲率一樣，當我們被限制在自己的太陽系里時，我們也不能形成一個足夠大的三角形。
值得慶幸的是，我們可以進行兩個主要的觀測測試，它們確實揭示了宇宙的曲率，而且都指向了相同的結論。
宇宙的形狀是什么？是平的還是球形狀的？
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1.）宇宙微波背景中出現的溫度波動的角度大小。在熱大爆炸的早期階段，我們的宇宙非常均勻，但并不完全均勻。有微小的缺陷：比平均密度稍高或稍低的區域。在引力和輻射之間會產生一系列的效應，引力的作用是將物質和能量優先吸引到密度更大的區域，而輻射則是將物質向后推。結果，我們得到了一組溫度波動的模式，這些模式被印在了可觀察到的輻射中，這些輻射是熱大爆炸留下的：宇宙微波背景。
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這些波動有一個特定的光譜：在特定的距離尺度上，溫度升高或降低一定程度。在一個平坦的宇宙中，這些尺度看起來是真實的，而在一個彎曲的宇宙中，這些尺度看起來更大（在正彎曲的宇宙中）或更小（在負彎曲的宇宙中）。根據我們從普朗克衛星以及其他來源所看到的波動的表面大小，我們可以確定宇宙不僅是平的，而且它的平直度至少達到99.6%的精度。
這告訴我們，如果宇宙是彎曲的，則其彎曲的規模至少是我們所能觀測到的宇宙部分的250倍，宇宙的直徑已經達到920億光年。
宇宙的形狀是什么？是平的還是球形狀的？
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2.）在整個宇宙不同時期聚集的星系之間明顯的角度分離。同樣，有一個特定的距離標尺，星系更可能沿星系聚集。如果您今天將手指放到宇宙中的任何一個星系上，并移開一定距離，您可以問一個問題：“我在這個距離上找到另一個星系的可能性有多大？”您會發現您最有可能在附近找到一個星系，并且隨著移動距離的增加，距離會以一種特殊的方式減小，并有一個特殊的增強：你找到一個大約5億光年遠的星系的可能性略高于4億光年或6億光年遠的星系。

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