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宇宙的形状之谜（第1页）

宇宙的形状之谜

宇宙究竟是什么形状？这是宇宙学中一个未解决的问题。用数学的语言说就是：“哪一个三维形状才能最好地代表宇宙的空间结构？”

*关于宇宙形状的诸多争论

宇宙学研究领域长期以来一直存在着这样的争论：究竟宇宙是球形的、马鞍形的、还是平坦的？目前，在国际主流宇宙学看来，宇宙是平坦的，是无限的。那么，围绕宇宙的争论从何而来？理据何在？

其中一种最为普遍的观点认为：宇宙诞生于宇宙大爆炸之后。根据现代宇宙学中最有影响的宇宙大爆炸学说，我们的宇宙产生于大约137亿年前一个非常小的点爆炸，而目前我们的宇宙仍在膨胀。目前大量的天文观测也证实了这一学说。

这一观点认为：在诞生初期，宇宙温度非常高。而随着宇宙的膨胀，它的温度开始降低，随后也产生了中子、质子、电子。此后，这些基本粒子就形成了各种元素，通过相互吸引、融合，这些微粒物质逐渐形成了越来越大的团块。而这些团块又逐渐演化成如恒星、行星等星系。在个别的天体上还出现了生命现象，能够认识宇宙的人类最终诞生。

还有的观点认为，宇宙是球形的、有限无边的。在很长时间内都存在着这种观点，尽管在国际宇宙学界这并不是主流。但因为这一观点很奇特，每一次提出，都会引起人们的关注。美国数学家杰弗里·威克斯构建的宇宙模型就是一个最为明显的例子——一个镜子迷宫：大小有限、形状如同足球。“形如足球”的模型震惊了科学界，因为这一学说认为，之所以宇宙令人产生无边无界的“错觉”，就是由于通过“返转”效应，这个有限空间可以无限重复映现自身。威克斯认为，人类之所以会产生宇宙是无限的这种感觉，是因为宇宙就如同一个镜子迷宫，光线传过来又会传过去，让人类误以为宇宙就在无限延伸，产生错觉。

*宇宙到底什么形状？

尽管有关宇宙形状的争论颇多，但至今仍没有得出确切的结论。

首先，至今还不清楚到底宇宙是不是“平坦空间”，即欧氏几何的空间在大范围内得到遵守。目前，大部分宇宙学家认为已知宇宙是基本平坦的，除了大质量天体造成的局部时空褶皱，但局部还存在不平坦的地方，就像水波一样。最近威尔金森微波各向异性探测器观测宇宙微波背景辐射的结果也肯定了这一点。

其次，尚未清楚宇宙是否属于多重连接。根据宇宙大爆炸理论，宇宙并不存在空间的边界，然而宇宙的空间却可能是有限的。通过二维概念我们可以类推一下：一个球面没有边界，但它的面积是有限的，即4πR2。因此，我们同样可以推论：宇宙可能是一个在三维空间内有固定曲率的二维表面。

数学家黎曼曾发现了四维空间中一个三维球形“表面”与此类似，其总体积为有限（2π2R3），但三个方向都弯向第四个维度。除此之外，他还发现了一个“圆柱形空间”和“椭圆空间”，前者的圆柱形两头互相连接但没有弯曲圆柱本身——这一现象在普通的三维空间是不可想象的。还有很多类似的数学例子。

假若宇宙有限但无边界，那么沿着宇宙中一条任意方向的“直线”，我们最终还会回到出发点，而宇宙的“直径”就是其路线长度。但是，这个直径一定要比我们所见的宇宙部分大得多，是现在人类对宇宙的认识所无法想象的。

通过哈勃望远镜拍摄到的高清晰度的宇宙深场照片，我们可以看到姿态年龄各异的河外星系。人类看到的最古老的星系在宇宙年龄约8亿年时就已存在，是照片片上最小、颜色最红的。这说明宇宙有可能是具有多重连接的拓扑学结构。似乎从某些角度来说，星体和星系应称作“所观的影像”才合适。因为这些结构如果足够小，那么人类就就像身处挂了多面镜子的房间里，可能从不同方位看到同一天体的多个影像，那么天体实际的数量也会比观测所见的少。这个可能至今没有彻底被否定，但最近的宇宙微波背景辐射研究结果认为这是很不可能的。

总之，有关宇宙的形状目前还没有确切的结论，还有待科学家继续不断研究。

新知博览——时空的起源

有些人认为，时间和空间是从没有时间和没有空间的状态产生的，而不是永恒的。现有的物理理论证明，在小于10－43秒和10－33厘米的范围内，并不存在一个“钟”和一把“尺子”能进行测量，因此是一个没有时间和空间的物理世界，时间和空间概念失效了。

正像历史上的牛顿时空观发展到相对论时空观那样，这种观点中涉及到的时空形式有其适用的界限是完全正确的。今天的科学实践不断发展，也必然要求建立新的时空观。由于在宇宙大爆炸后10－43秒以内广义相对论的失效，引力的量子效应就必须考虑到，因此为了探讨已知的时空形式的起源，有些人试图通过时空的量子化的途径来解决。这些工作都是有益的，但我们决不能否定作为物质存在形式的时间、空间的客观存在，虽然人类时空观念有了新的发展，在现有的科学技术水平上也有着无法度量的新时空形式。

小知识——宇宙爆炸的三个阶段

美国天文学家伽莫夫曾提出一种观点，认为宇宙曾有一段从密到稀、从热到冷不断膨胀的过程。这个过程就像一次规模巨大的爆炸。这种理论被称为大爆炸宇宙。

这种观点将宇宙200亿年的演化过程分为三个阶段。第一个阶段是宇宙的极早期，宇宙处于一种极高温、高密的状态下，温度高达100亿摄氏度以上。这时，宇宙中任何东西都不存在，地球、月亮、太阳及所有天体也不存在，甚至没有任何化学元素存在，宇宙间只存在中子、质子、电子、光子和中微子等基本粒子形态的物质。这个阶段的时间很短，短到甚至可以以秒来计算。

随着宇宙体系的不断膨胀，温度也很快下降。当温度降到10亿摄氏度左右时，宇宙便进入第二阶段，开始形成一些化学元素。在这一阶段中，温度进一步下降到100万摄氏度，这时，早期形成化学元素的过程即宣告结束。第二阶段大约经历了数千年。

当温度降到几千摄氏度时，宇宙便进入第三阶段。200亿年来，宇宙一直都处于这一阶段，至今我们仍生活在这一阶段当中。这期间，宇宙中充满了气态物质，这些气体逐渐凝聚成为星云，再进一步形成各种各样的恒星系统，这便成了我们现在所看到的五彩缤纷的星空世界。