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假如宇宙是一个足球

2003-10-29 15:25 作者:姚望 2003年第42期
很少有人会像杰夫里·威克斯(Jeffrey Weeks)这样,给出如此简单甚至略显粗暴的答案:想知道宇宙是什么样的吗?看,宇宙就是这样一个由12块五角形的“皮子”拼接起来的巨大“足球”!

2003年4月28日,海顿天文馆的5位学者正在讨论是否修改宇宙论的问题,因为无限宇宙论无法解释最新的观测数据

宇宙是什么样子的?这或许是人类提出过的最难以解答的问题之一。借助每一个时代最先进的观测工具,宇宙学家们曾经提出过各种各样的假设,从托勒密的水晶球到霍金的果壳宇宙。然而,很少有人会像杰夫里•威克斯(Jeffrey Weeks)这样,给出如此简单甚至略显粗暴的答案:想知道宇宙是什么样的吗?拿一个足球放在面前,看,宇宙就是这样一个由12块五角形的“皮子”拼接起来的巨大“足球”!

威克斯是美国纽约州坎顿市的一名独立数学家,这很容易让人联想起我们这里每年层出不穷的号称证出哥德巴赫猜想的农民数学家。但10月9日出版的《自然》杂志却把威克斯及其同事合作的论文作为封面。原因很简单:足球宇宙假说尽管大胆,但却是基于精确的观测数据和合理的数学建模而得出的。

这一假说主要源自NASA的威尔金森微波各向异性探测器(Wilkinson Microwave Anisotropy Probe,简称WMAP)的观测结果。今年2月份的时候,WMAP拍摄到了大量宇宙年龄为38万年时的高清晰度图片,并揭示了大爆炸后留下的到处皆在的宇宙微波背景的秘密。根据这些宇宙微波背景——宇宙在幼年时期发出的冷光——中的冷点和热点的大小,能够推算出宇宙的年龄和构成。数据显示,在这个背景中,尽管存在像海浪一样的波动起伏——早期宇宙中恒星和星系形成时留下的遗迹,但总体看来,却相当平均,并不存在太大的波浪。这就与目前主流的无限宇宙论发生了冲突。

“一个无限的宇宙应当包含有各种大小的波。WMAP的观测结果向我们指出,宇宙很可能是有限的——这就像你在自己的澡盆里不可能看到惊涛骇浪。”威克斯在接受SPACE.COM采访时形象地指出。对于他来说,最好的解释,就是宇宙实际上是一个庞卡莱(法国数学家)12面体空间,“它与数据令人吃惊地吻合”。

早在威克斯之前,就曾经有人提出过这一设想。然而,直到最近,猜想才得到了现实观测数据的支持。研究人员指出,在经过了近两千年的猜测之后,人类可能已经接近了答案的核心:我们身处的宇宙,到底是有限的,还是无限的?它究竟是广袤的,开放的,还是狭小的,封闭的?在这个宇宙之外,是否还存在着其他的,与我们相似或迥异的宇宙?

根据最新的理论,宇宙是由12个五角形的面边对边无缝拼合起来的一个空间。当你走出一个面的边界时,便会进入另一个面。举一个简单的例子,拿一张纸,将它卷成一个圆筒。从接缝处出发,在走过长长的一圈后,你还会回到终点。但如果在卷成圆筒的时候将纸翻转一下,以对角线点彼此相对,你会发现,尽管你从纸的正面出发,但当回到出发点时,你却到了纸的另一面。这是拓扑学上相当有趣的一个小实验。新的足球宇宙模型尽管比它复杂得多,但原理还是一致的。

如果这个理论是真的,光也会按照同样的模式在宇宙中旅行。这样,天文学家就完全可能在宇宙中找到一个物体在不同时间的多个图像,“就像在不同的角度看到同一个人,只是可能从正面看时,他是50岁,但从上面看时,他是7岁”。

对普通人更有吸引力的则是,至少从理论上讲,如果你在宇宙中一直向前,永不回头,在经过了长途旅行后——约为600亿光年——你将回到你最开始出发的地方!

剑桥大学的宇宙学家詹娜•利文(Janna Levin)指出,除了12面体结构,还存在有其他的可能。但这至少是一个有意义的开始。

奥伯斯佯谬:关于“宇宙是什么”的最著名的问题之一

当你在仰望繁星点点的夜空时,不知是否曾经想到过这样一个问题:夜空为什么是黑暗的?

也许你会认为这是一个并不值得回答的低级问题,甚至还会反问一句——夜空为什么不是黑暗的呢?但实际上,从1576年英国人托马斯•蒂杰斯第一次在著作中描述这个后来被命名为“奥伯斯佯谬”(Olbers' Paradox)的问题时起,在近400年的时间里,它一直是天文学上关于“宇宙是什么”的最著名的难题之一。

要理解这个问题为什么是一个难题,你可以先设想自己正身处于一个无穷大的森林之中。尽管森林中的树木彼此间距不同、大小不一,但因为森林是无穷大的,那么,无论你向哪一个方向望出去,或远或近,你总可以看见至少一棵树。

现在,易森林为宇宙。我们已经知道,宇宙中充满了和银河系中的恒星类似的恒星以及星系,那么,当我们仰望宇宙时,在任何一个方向,都应当有至少一颗发光的恒星在等待着我们的目光,整个天空本应是一片眩目的光芒。为什么我们实际看到的,却是深黑的夜空呢?

不要以为这是因为太远的恒星因为太暗而无法被我们看见。设想我们居于宇宙的中心,恒星和星系与我们的距离就相当于球的半径。假设所有的恒星或星系的绝对星等大致相当,尽管半径较大的那一层中的恒星或星系可能看上去较暗,但更大的球面面积意味着更多的恒星和星系。因此,从理论上讲,每一层中的恒星和星系的亮度总量应当是相等的。

其实,奥伯斯佯谬之所以会成为一个问题,是因为它立足于以下的假设:宇宙是无限的、永恒的且不变的。只要其中有一项条件不符,结论就会完全不同。

人们最先对宇宙永恒不变这一假设提出了质疑。有趣的是,最先认识到这一点的并不是天文学家,而是著名的诗人和小说家爱伦•坡。这位热心的业余科学家在去世前不久的一次演讲中指出,之所以夜空中会存在广袤的黑暗缺口,是因为那些我们看不见的恒星和星系距离我们如此的遥远,它们发出的光根本来不及到达我们这里。另一位爱尔兰科学家德阿比(d'Albe)则在1907年左右提出,如果宇宙诞生于10万年前,那么离我们超过10万光年以上的天体发出的光根本不可能到达我们这里。

直到上个世纪20年代后,奥伯斯佯谬才得到合理的解答。它的命名还要再迟30年,始自50年代宇宙学家赫尔曼·邦迪对在此问题上做出过巨大贡献的德国天文学家海因里希•奥伯斯的纪念。80年代,马萨诸塞大学的天文学家爱德华•哈里森(Edward Harrison)整理出大量与奥伯斯佯谬相关的资料,撰写了《夜间的昏暗》一书。在书中,哈里森曾非常惊异于一点,即从牛顿、哈雷等天文学家以降,为什么从来没有人把奥伯斯佯谬的问题倒过来,将夜晚天空的黑暗作为宇宙诞生于有限时间以前的理由。随着宇宙是一个“有限的12面体”假说的提出,哈里森可能要为自己的著作添上新的一章:为什么此前没有人从奥伯斯佯谬中领悟到,宇宙也可能是有限的呢?

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