物理学家用宇宙中的一点,测出了整个宇宙的形状,居然是“平”的

老胡懂点星 2025-03-10 14:56:56

宇宙是什么形状?这个问题,数学家琢磨了两千多年,物理学家也折腾了一百多年,最终的答案,可能就在一个微波背景辐射的“点”上。

这还要从欧几里得说起。这个古希腊数学天才,2300多年前写了《几何原本》,奠定了整个欧几里得几何的基础。直线、点、角度,逻辑推理,层层递进,最后构建起整个几何学体系。看似无懈可击,但有一个问题一直是个刺——第五公设。

这就是“平行公设”。简单来说,就是如果有一条直线,再给一个不在这条直线上的点,只能有唯一一条直线和原来的直线平行。这一条,欧几里得怎么也不能用前四条公设证明出来,只能硬塞进几何体系里。前四条大家都觉得直观,这一条,却总让人觉得别扭。

这一别扭,就是两千年。

很多数学家试图证明这条公设是多余的,但无一例外失败了。直到十九世纪,匈牙利数学家博雅伊和俄国数学家罗巴切夫斯基换了个思路——干脆推翻它。如果第五公设不成立,会发生什么?

答案是,完全不同的几何世界。

这直接催生了两种新几何。一种是双曲几何,也叫罗巴切夫斯基几何:在这种几何里,过一点可以做无数条直线和原来的直线平行。而且,三角形的内角和永远小于180度。另一种是椭圆几何,也叫黎曼几何:在这里,任何两条直线最终都会相交,平行线根本不存在,三角形的内角和大于180度。

数学家在纸上推导这些几何玩得不亦乐乎,但当时谁也没想到,真正的宇宙,竟然是非欧几里得的。

爱因斯坦出场了。他的广义相对论,完全抛弃了牛顿的绝对空间观,把空间看作可以弯曲的,弯曲程度由质量和能量决定。这个世界,不再是一个欧几里得几何的舞台,而是一个四维的、动态的、被质量拖拽变形的时空。光线不再是直的,行星轨道不是简单的椭圆,甚至整个宇宙的几何结构,也要重新考虑。

问题来了:宇宙到底是双曲的,椭圆的,还是欧几里得的?

物理学家盯上了宇宙中最古老的光——宇宙微波背景辐射(CMB)。这道光,来自138亿年前宇宙大爆炸后38万年时的残余辐射,被普朗克卫星精确测量。

测量什么?测量其中“最大的三角形”。

如果宇宙是欧几里得的,这个三角形的内角和就是180度。如果是双曲的,角度会小于180度;如果是椭圆的,角度会大于180度。

普朗克卫星的答案是:180度,误差几乎为零。

也就是说,整个宇宙,居然是“平”的。

这意味着什么?意味着宇宙的总能量密度,正好等于临界值。能量密度高了,宇宙会闭合,最终坍缩成一点;密度低了,宇宙会永远膨胀下去。但现在的测量结果显示,宇宙的密度恰好处于一个微妙的平衡点,让宇宙既不会无限膨胀,也不会塌缩。

问题来了,这个“刚刚好”是怎么来的?

爱因斯坦早年曾经搞过一个“宇宙常数”,后来又把它称为“他一生最大的错误”。但现代物理学家发现,这个宇宙常数,可能真的存在。宇宙的膨胀速度,并没有像预期的那样减慢,反而在加速。这个加速,必须有某种“暗能量”在推动,而这种暗能量的密度,恰好保证了宇宙是平的。

一个微妙的巧合:如果宇宙初始状态的密度比当前测量值高出不到1%,那么宇宙早就已经塌缩了;如果低出不到1%,宇宙就会是一个极端弯曲的双曲空间,物质无法凝聚成星系。唯独现在的这个“刚刚好”,使得宇宙能演化出恒星、行星,乃至我们。

谁调整了这个参数?没人知道。这是目前宇宙学最大的悬案之一。

回到开头的那个“点”。欧几里得用点和直线构建了数学的几何体系,两千多年后,物理学家用宇宙中的一点——微波背景辐射的温度起伏,测出了整个宇宙的形状。

结果,宇宙是平的,但这又带来了新的难题:它是怎么精确到这个状态的?谁来解释这个精确调节的问题?我们现在的宇宙学模型,解释了宇宙的演化,但没解释宇宙的初始条件。而这个初始条件,显然不能简单归结为“巧合”。

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