随着科技的进步,我们观察到了太阳系内其他行星的形状,观察到了银河系的形状,观察到了更远星系的形状,但至今我们仍未观察到宇宙的边界。这不禁让我们好奇,宇宙,它是什么形状的?然而目前我们无法走到宇宙的外边,去看一看它,科学家们只能根据目前对宇宙的认识,来对宇宙的形状进行推测。今天让我们从宇宙的曲率,来了解宇宙可能的形状。 让我们来看图1、图2、图3所示的三条曲线。不难发现,图1曲线的弯曲程度最小,图3曲线的弯曲程度最大。曲线的弯曲程度,我们用曲率来衡量。曲率越大,曲线的弯曲程度就越大。它是几何体不平坦程度的一种衡量。 图1 图2 图3 对于线段,我们用长度这一个维度,便可以准确地描述它;对于一个长方形,单凭长度一个维度,无法准确描述,需要用长度、宽度两个维度才可以做到;对于一个正方体,仅凭长度、宽度两个维度,是不足以描述正方体的。这时候,我们需要另加一个维度,才能进行描述。那么,对于弯曲的正方体,需要一个四维空间,才能描述清楚。四维,借用数学工具,是较为容易做到的。但是我们生活在三维空间中,对于更高维度的空间,是很难想象的。所以,科学家们对于宇宙的曲率描述,是无法直接使用图像进行表示的。他们采用与描述二维表面的相同方法,去掉一个维度,得出宇宙的形状只可能有以下三种: 如果宇宙的曲率是负值,它的形状是弯曲的三维双曲面(马鞍面)。这样的曲面上,沿测地线所围成的三角形内角和小于180 。这样的宇宙是开放的。这种情况下,宇宙会永远膨胀,没有边界。 如果宇宙的曲率是正值,它的形状是三维球面。这样的曲面上,沿测地线所围成的三角形内角和大于180 。这样的宇宙是封闭的。这种情况下,宇宙是有边界的,但它没有终点。它的扩张最终将停止,然后开始收缩。 如果宇宙的曲率是零,它的形状像一张平坦的"纸"。这种情况下,沿测地线所围成的三角形内角和等于180 。这样的宇宙是平坦的。这种情况下,宇宙没有边界,它会永远膨胀。 先前,通过对宇宙微波背景辐射分布图等的研究,大多数科学家倾向于宇宙的形状是一张"平坦的纸"。然而,2019年11月4日,一篇发表在《自然》期刊上的论文(Planck evidence for a closed Universe and a possible crisis for cosmology)指出,通过对普朗克卫星传回的数据进行研究分析,得出宇宙的曲率是正值,宇宙的形状是一个三维球面。但是由于用不同方法测出的哈勃常数存在差异,测出的数值计算不准确。所以目前,未得到大多数科学家的认同。 2120212660 许洋(指导老师:闻新) 2022年5月4日