在高維空間中，我們的宇宙是什麼形狀？衛星觀測資料已經給出參考答案

1919年，天文學家愛丁頓組織了兩個日食觀測團隊，分別前往非洲的普林西比島以及南美洲的巴西，他們的目的並不是觀賞日食奇觀，而是為了驗證愛因斯坦在廣義相對論中提出的一個理論：具有質量的物體會讓空間發生彎曲，並且物體的質量越大，空間就彎曲得越厲害。

太陽是太陽系中質量最大的天體，它無疑就是一個理想的觀測物件，根據廣義相對論的預言，當遠處恆星發出的光線在經過太陽附近時，會發生1。74弧秒的偏轉，這是可以觀測到的，由於太陽實在是太亮了，所以相關的觀測就只有在日食的時候進行。

此次觀測結果是，遠處恆星發出的光線在經過太陽附近時確實發生了偏轉，其中普林西比島觀測到的偏轉角為1。61弧秒，巴西觀測到的偏轉角為1。98弧秒，實際觀測值與廣義相對論的理論值非常接近。

愛丁頓的觀測結果證明了廣義相對論是正確的，自此之後，人們知道了原來空間可以彎曲，但問題是，空間到底是怎麼彎曲的呢？其實在三維的空間中，我們是無法看到這種彎曲的，換句話來講就是，只有在更高維的空間中，我們才能看到空間是如何彎曲的。

既然空間可以發生彎曲，那在高維空間中，我們的宇宙是什麼形狀呢？

根據宇宙學原理，宇宙空間在整體上是處處等效的，也就是說，宇宙的質量會使宇宙具備一個整體上的曲率，根據曲率的不同，宇宙的形狀也就不同，從理論上來講，宇宙可能會是以下三種形狀。

如上圖所示，當宇宙整體的曲率為正時，宇宙的形狀就是一個封閉的三維球面，為負則是開放的三維馬鞍面，而當宇宙整體的曲率為零時，宇宙的形狀就是一個開放的三維平坦空間（注：因為我們無法描述更高維度是啥樣，所以上圖其實是減少了一個維度）。

由此可知，只要我們知道了宇宙的曲率，就可以知道宇宙在高維空間中到底是什麼形狀，實際上，關於宇宙的曲率，衛星觀測資料已經給出參考答案。我們來看看具體是怎麼回事。

在我們的宇宙中，一直存在著兩大“勢力”的較量，其中是一方是萬有引力，它起的效果是讓宇宙的曲率為正，另一方則是推動宇宙膨脹的暗能量，它起的效果是讓宇宙的曲率為負。

很明顯，當萬有引力與暗能量“勢均力敵”時，宇宙的曲率就為零，而由於萬有引力與質量密切相關，因此我們就可以根據宇宙的膨脹率（即哈勃常數）計算出與之平衡的萬有引力，再進一步計算出這種情況下的宇宙平均密度，而這個密度就被稱為“宇宙臨界密度”。

科學家認為，假如實際測量到的宇宙平均密度高於這個“宇宙臨界密度”，就說明宇宙的曲率為正，反之則為負，而如果兩者相等，宇宙的曲率就為零。那麼應該如何測量宇宙的平均密度呢？這就要藉助宇宙微波背景輻射了。

宇宙微波背景輻射被稱為“宇宙中最古老的光子”，它們產生於宇宙誕生之初，由於光速的限制，直到現在它們仍然在宇宙空間中傳播。

由於宇宙中的質量會使空間發生彎曲，因此宇宙微波背景輻射的光子在傳播過程就可能會發生一定程度的偏轉，當我們觀測到它們時，就可能會觀測到“引力透鏡效應”，透過對“引力透鏡化程度”的分析，我們就可以計算出宇宙的實際平均密度。

綜上所述，我們只需要知道“宇宙的膨脹率”以及“宇宙微波背景輻射的引力透鏡化程度”，就可以計算出“宇宙臨界密度”以及“宇宙的實際平均密度”，進而推測出宇宙的曲率，而這兩個資料都是可以透過衛星來觀測的。

2019年，來自牛津大學、曼徹斯特大學以及薩皮恩扎大學的多位科學家組成的研究團隊在《自然》雜誌發表論文稱，根據大量的衛星觀測資料，他們計算出了“宇宙臨界密度”為每立方米大約5。7個質子，而“宇宙的實際平均密度”則為每立方米大約6個質子，明顯高於“宇宙臨界密度”。

也就是說，這項研究表明，宇宙的曲率是為正的，這也就意味著，在高維空間中，我們的宇宙是一個封閉的三維球面。

結語

由於衛星的測量精度有限，測出的“宇宙的膨脹率”以及“宇宙微波背景輻射的引力透鏡化程度”這兩個資料都可能存在著一定的誤差，因此目前我們還只能這是科學家根據衛星觀測資料給出的參考答案。

值得一提的是，假如宇宙在高維空間中的形狀真的是一個封閉的三維球面，那麼宇宙就是“有界無邊”，在這種情況下，假如我們在宇宙中沿著同一方向一直前進，那麼在足夠長的時間之後，我們就會回到最初的起點。

好了，今天我們就先講到這裡，歡迎大家關注我們，我們下次再見。

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