Astronomy 版 (精华区)

发信人: glees (西伯利亚的针叶林), 信区: Astronomy
标  题: 宇宙的形状
发信站: 哈工大紫丁香 (2003年05月31日00:43:53 星期六), 站内信件

宇宙的形状

　　宇宙是什么形状的呢，是象地球一样的圆形，还是象银河系一样的扁平？这同样是令
人费解的一个问题。经过多年的探索，不久之前一个由多国天文学家组成的研究小组，首
次向人们展示了宇宙形成初期的景象，显示出当时的宇宙只相当于现代宇宙的千分之一，
而且温度比较高。通过再现宇宙形成初期的景象，天文学家证实了这样一种观点：宇宙的
形状是扁平的，而且自形成以来一直在不断扩展。但是这种说法也未必完美。 

　　下面是science上关于宇宙形状的近期报道： 

　　时空结构将宇宙微波背景（CMB）和宇宙的重要结构连在了一起。但是究竟时空结构是
什么，而CMB的测量又能告诉我们什么呢？ 

　　在爱因斯坦的广义相对论中，空间和时间被连接在一个有弹性的“簇拓扑空间”——
一个数学对象中，这个拓扑空间的每个小片粗看象一个四维的橡胶片。光线沿拓扑空间的
轮廓前进，这个轮廓被叫做测地线。在一个平坦的平面上，从一个远距离对象发出的平行
光将保持和它们接近一个观测者时同样远近的分隔。但是在一个有正曲率的表面，如一个
球，接近的光线将移动更远的间隔，使得远处的物体看起来比正常物体更大。在一个有负
曲率的表面，如一个马鞍，平行光束将更紧密的结合在一起，使得物体看起来更小。 

　　因为弯曲的簇拓扑空间对光的扭曲不同于扁平的簇拓扑空间，所以弯曲的簇拓扑空间
也应该产生不同种类的CMB。用微波探测器（叫做BOOMERANG）观察到的1-degree-wide波正
好是理论预言的扁平宇宙所应该有的，对于这个结论大部分物理学家至少希望用微波各向
异性探针的（MAP'S）图象证实。一些研究者希望MAP将给出关于宇宙大小和形状的更多详
细而精确的信息。“当我们看微波背景的时候，我们基本上留意到了球的表面，” 普林斯
顿大学的一个天体物理学家和MAP科学队的一个成员David Spergel解释道。如果宇宙是无
限的，那么“最后散射的表面”将不能给出关于它的形状的线索。但是如果宇宙是有限的
，那么时空和安置在时空当中的散射表面必需使它们自身向后弯。一个足够巨大的球将会
把自己相交贯穿至少形成一个圆周，正如一个围绕着销子搭接起来的圆盘一样。 

　　实际上，Spergel说，因为光能通过不止一个路径穿过弯曲的时空，所以天文学家将看
到一个交叉点不是一次而是两次，与一对圆周在天空的不同部分描绘出冷点和热点的方式
相同。在美国的Spergel组和在巴黎天文台由Jean-Pierre Luminet领导的组正在研制一些
运算法则以搜索在MAP数据中的这种信号。其间，数学家Jeff Weeks，一个纽约州的自由记
者已经写了一个把一对圆周转化为宇宙模式的计算机运算法则。Weeks说，对形象化最容易
的是一个“曲面（toroidal）”宇宙比最后散射的表面小。他指出，在包围着一个圆环面
的两维宇宙中，天文学家看起来将在假想出的空间的盒子的相对的两个壁上看到同样的点
。相似的，在三维曲面（toroidal）宇宙中，天文学家将在相对的方向看到三对圆周。 

　　toroidality仅仅是对扁平的有限宇宙来说10个不同toroidality之中最简单的一个。
如果宇宙被证实是弯曲的——这一点在当前还不是事实——那么对Weeks的运算法则来说将
会有无限多的可能性去尝试。“我们将开始尽可能快的关注任何可用的数据，”Weeks说。
如果宇宙合作，他们可以不用等太长时间，Spergel说：“两年后，我们就能知道我们住在
一个有限的宇宙中。” 

　　注解：CMB是从各个方向袭击地球的持续的电磁声波。这些遥远的声音是大爆炸之后的
遗留辐射。CMB也叫做宇宙背景辐射和微波宇宙背景。




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  携书弹剑走黄沙
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  江南八月看桂花

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