宇宙是一個什么形狀,這是一個很讓人思索的問題。就像站在城市中間的人,我們的地球位于宇宙的中間,我們怎么能夠知道宇宙是一個什么形狀?那就是觀測和推測。
2019年之前,科學家們認為宇宙是平坦的,這些證據來自于對微波背景輻射的觀測。微波背景輻射是宇宙大爆炸之后形成的余暉。
老式電視機打開以后形成的雪花噪點,以及收音機里的噪聲,就是接收到的微波背景輻射的電磁波信號。
科學家曾把一個射電望遠鏡用氦氣球升到地球大氣的平流層上空,對微波背景輻射進行了長期的觀測。這個觀測表明微波背景輻射在各個方向是平坦不扭曲的,說明宇宙是平的。
這就好像我們觀測一個平板上的圖形一樣,從各個方向上看平面的圖形是保持等比例縮放的,如果平面發生扭曲,圖形在各個方向的比例就不一致。
》我們對宇宙形狀的所有認識,都源自愛因斯坦在1915年發表的廣義相對論。
廣義相對論把物質的存在性和空間的存在性聯系在一起,既可以用于計算天體的演化,又可以用于計算宇宙的演化。
廣義相對論在天體演化中最重要的計算成果就是預言了黑洞,在宇宙演化中最重要的計算成果是預言了宇宙大爆炸。
現代天文觀測已經證實了黑洞的存在。
根據廣義相對論,我們的宇宙是處在一個動態的過程中,要么必須擴張,要么必須收縮。天文學觀測證實宇宙是在擴張的。遙遠的星系都在做遠離地球的運動,而且離地球越遠,這些星系的運動速度就越快。
銀河系是拉尼亞凱亞超級星系團的成員,銀河系正帶著我們的太陽向拉尼亞凱亞超級星系團的引力中心,以每秒600公里的速度狂奔!由于宇宙空間在膨脹,所以銀河系永遠也到不了那個目的地。
宇宙膨脹的速度和尺度有關,可以想象成一根橡皮條的均勻拉伸,每一個單位尺度只拉伸一點點,只要橡皮條足夠的長,拉伸的速度就會非常的快。
如果空間距離足夠大,膨脹的速度超過光速的時候,星系之間的引力聯系就會被撕裂。
宇宙間最古老的恒星是136億歲,誕生在宇宙形成以后2億年,所以宇宙的年齡是138億歲。如果我們把宇宙存在的138億年時間,向前回溯,宇宙就會收縮成一個點,這個點就是大爆炸的起點。這個結論是由前蘇聯的科學家亞歷山大弗里德曼給出的,被稱為廣義相對論的宇宙學解。
》一個點的爆炸,在正常意義的理解上必然會形成一個球形的物質擴張。
如果宇宙通過一個簡單的爆炸形成一個球形,就會出現以下現象:接近爆炸中心的物質分布密度高,遠離爆炸中心的物質分布稀疏,密度低。
但是實際上的天文觀測發現,在大尺度上,宇宙的物質密度分布是均勻的。
這就有了一個問題:宇宙大爆炸絕對不是我們能夠想得出來的那種簡單爆炸,必然以一種非同尋常的方式暴炸。
修正經典的廣義相對論關于宇宙大爆炸之后物質密度分布不均勻的理論,叫做“暴漲理論”。
》根據暴漲理論,宇宙在爆炸最初的那一瞬間,其爆炸的速度遠遠超過光速。宇宙以指數膨脹,在極短的時間內,從一個點膨脹到一個蘋果大小,然后再以正常的方式爆炸。
經過暴漲以后,宇宙間的物質密度分布就會變得均勻。
但是這也帶來了一個問題,自然界的所有物質聯系都是通過4種力結合在一起的,分別是電磁力、強互作用力、弱互作用力和引力。
強相互作用力形成原子核,電磁力讓電子和原子核形成原子,弱互作用力讓原子核衰變,引力讓星系形成。這4種力的傳遞速度全部都是光速。
大爆炸之初宇宙以超光速膨脹,必然割裂物質之間的聯系。被割裂的物質獨立分布在無數個單獨的空間中,每一個單獨的空間獨立演化成一個宇宙。
》宇宙暴漲的結果,產生了無數個平行的宇宙。所有的平行宇宙都位于一個四維超球體的三維表面,因為有無數個宇宙,說明宇宙存在的三維表面是無限大的。無限大的球面必然是平坦的。
這是2019年之前,科學家們對于宇宙形狀的認識。
但是最新的科學發現卻表明:宇宙存在的四維超球體是有限大的。
準確的說,本宇宙是位于一個有限大四維球體的三維表面,這個表面是封閉的。正因為是球形的,所以我們不管朝著任何一個方向,一直走一直走,只要足夠長的時間,我們就會回到起點。
2019年,歐洲普朗克衛星對光線經過大質量天體時發生的扭曲進行測量,發現光線的彎曲程度超過了天體質量的影響。這說明不僅是星體的引力讓空間產生了彎曲,而且宇宙空間本身就是彎曲的。進一步的測量發現,只有宇宙空間的彎曲符合一個閉合球體,才能說明這種現象。
》可以把宇宙看成一個4維大泡泡,本宇宙位于4維大泡泡的3維表面上的一個角落。這個角落的大小大約是960億光年!我們一般稱之為可觀測宇宙!
這和當初哥倫布航海證明了地球是圓形的,是一樣的道理。
X的平方,加y的平方,等于r的平方,表示一個圓環。
X的平方,加y的平方,加z的平方,等于r的平方,表示一個3維球體的2維球面。
W的平方,加上x的平方,加y的平方,加z的平方,等于r的平方,表示一個4維球體的3維球面。
我們的宇宙就在這個W、x、y、z的4維超球體的3維球面,所以我們只能感覺到三個維度。
》第4個維度里面有什么?那里是一個難以想象的世界。
四維世界是不允許三維世界的引力和電磁力存在的。否則在四維世界里,力和距離的二次方的反比關系,就會變成和距離的三次方的反比關系。
如果引力和距離的三次方成反比,那么行星圍繞恒星的軌道運動是不穩定的,要么以螺旋線的形式跌落到恒星表面,要么就是快速的飛離引力場。
四維空間物質的存在,絕對不會是像我們在本宇宙中看到的,星系和星球彌散在整個宇宙空間的形式。
很可能,第4個維度隱藏著暗能量,推動宇宙膨脹。