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原标题:与观测结果最匹配的宇宙模型:宇宙是有限的且封闭的

如果宇宙的形状是高维空间里的三维环面(就像是轮胎和甜甜圈的表面),那我们从一点出发,走直线的话,最终可以回到原点。此外,物理学家有可能测量出有限宇宙的大小。

"我蓝筹股们可以说,现在知道了宇宙的大小。"法国里昂大学天体物理研究中心的天体物理学家Thomas Buchert在一封电子邮件中告诉Live Science。

Buchert和天体物理学家团队通过研究来自非常早期的宇宙光线,推断出我们的宇宙可能是多重连接的,这意味着空间在所有三个维度上都是封闭的,就像一个三维的甜甜圈。

这样的宇宙将是有限的,根据他们的结果,我们的整个宇宙可能只比可观测宇宙的极限大三到四倍,大约450亿光年远。

物理学家使用爱因斯坦的广义相对论来刻画宇宙。这种语言将时空里物质与时空的弯曲和扭曲联系起来,然后揭示它们如何互动,也就是我们体验到的引力。

在宇宙学的背景下,这种语言将整个宇宙的内容——暗物质、暗能量、常规物质、辐射和所有其他内容——与它的整体几何形状联系起来。

几十年来,天文学家们一直在争论:我们的宇宙是否是 "平坦的"(意味着想象中的平行线会永远保持平行),"封闭的"(平行线最终会相交)还是 "开放的"(这些线会发散)。

宇宙的几何结构决定了它的命运。平坦和开放的宇宙将永远继续扩张,而封闭的宇宙最终会自我坍塌。

多种观察结果,特别是来自宇宙微波背景(当我们的宇宙只有38万年历史时释放的闪光)的观察,已经坚定地确定我们生活在一个平坦的宇宙中。平行线保持平行,我们的宇宙会一直膨胀下去。

但是,形状不仅仅是几何学的问题。还有拓扑学。

例如,以一张平坦的纸为例。它显然是平的——平行线保持平行。现在,把这张纸卷成一个圆柱体。这些平行线仍然是平行的。圆柱体在几何学上是平的。现在,拿起圆柱形纸的两端,把它们连接起来。这就构成了一个环,它在几何上也是平的。

虽然我们对宇宙的内容和形状的测量告诉我们它的几何形状——它是平的,但并没有告诉我们拓扑结构。

观察光线

虽然一个完全平坦的宇宙会延伸到无限远,但一个具有多重连接拓扑结构的平坦宇宙将具有有限的大小。如果我们能够以某种方式确定一个或多个维度是否能循环到自身,那么我们就会知道,宇宙在该维度上是有限的。然后我们可以利用这些观察结果来测量宇宙的总体积。

来自德国乌尔姆大学和法国里昂大学的天体物理学家团队研究了宇宙微波背景(CMB)。CMB最开始出现之时,我们的宇宙至多是现在的百万分之一,因此,如果我们的宇宙确实是多重连接的,那么它更有可能在当时宇宙的可观测范围内自我包裹起来。

今天,由于宇宙的膨胀,循环重复更有可能发生在可观测范围之外,因此,更难被发现。对CMB的观测给了我们最好的机会,让我们看到多重连接的宇宙的印记。

该小组特别研究了CMB温度中的扰动——花哨的物理学术语。如果我们宇宙中的一个或多个维度与自身相连,扰动不可能大于围绕这些环的距离。

正如Buchert在一封电子邮件中解释的那样:"在一个无限的空间里,CMB辐射温度的扰动存在于所有尺度上。然而,如果空间是有限的,那么就会有那些大于空间大小的波长丢失。"

换句话说。扰动会有一个最大范围,这可以揭示宇宙的拓扑结构。

建立联系

用美国宇航局的WMAP和欧空局的普朗克等卫星制作的CMB地图已经在大尺度上看到了令人感兴趣的失踪扰动量。Buchert和同事研究了这些缺失的扰动是否源于宇宙多重连接的结构。

经过计算机数值模拟,"与无限的标准宇宙学模型相比,我们的发现与观察到的扰动匹配得更好。我们可以调整空间大小并重复分析。最终可以得出与CMB观测结果最匹配的宇宙规模。论文的答案显然是,有限宇宙比无限模型更符合观测结果。我们可以说。现在我们知道了宇宙的大小。"

虽然这个结果在技术上意味着你可以朝一个方向旅行,最后回到开始的地方,但在现实中我们不可能真做到这一点。

我们生活在一个膨胀的宇宙中,在大尺度上,宇宙自身的膨胀速度比光速还快,所以你永远不可能追上并完成这个循环。

Buchert强调,这些结果仍然是初步的。毕竟总是存在观测仪器失灵的可能性。

https://www.sciencealert.com/astrophysicists-say-our-universe-could-really-be-a-giant-3d-donut

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