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三维空间|研究发现：宇宙可能是个循环，朝一个方向走，会从另一边返回原地( 二 )


那为什么我们看不到所谓的空间曲率或者是形状呢？“不知庐山真面目 ， 只缘身在此山中” ， 没错 ， 正是因为我们生活在三维空间之中；
我们没有另外一个额外维度的视角来观察三维空间 ， 因此我们就看不到它的形状 。 不过我们看不到 ， 并不代表不存在 ， 这一点要清楚 。
下面我举个例子 ， 在三维空间中 ， 我们就可以在第三个维度看到二维平面所构成的任何形状 ， 折纸玩过吧 。
但是身处在二维平面上 ， 我们就看不到二维平面的任何形状 ， 因为我们只能感受到两个维度 ， 缺少了一个维度 。
这就是我们看不到三维空间形状的原因 。
那么了解了以上的知识 ， 我们接下来讨论宇宙的形状 。
在宇宙学中 ， 由于物理定律在每一个空间位置都是等效的 ， 也就是空间的每一个点都是平等的 ， 因此整个宇宙就不可能在一些奇怪形状 ， 例如甜甜圈 。
因此宇宙可能的形状就有三种 ， 分别为：正曲率的三维封闭球面、平坦的三维空间、负曲率的三维马鞍面 。
以上的三种可能形状取决于宇宙中的能量密度和膨胀率（哈勃常数） ， 目前我们通过普朗克卫星测得的哈勃常数（宇宙膨胀率）为67.80±0.77 km/s/mpc 。
根据这个膨胀率 ， 我们在理论上可以计算出一个宇宙临界能量密度 ， 为每立方米大约5.7个质子质量 。
在这个临界密度下 ， 膨胀率和能量密度基本平衡 ， 宇宙就是一个几乎平坦的三维空间 ， 没有可观测的曲率 。 这样的宇宙会一直膨胀下去 ， 无限无界 。
但是当宇宙的真实能量密度大于临界密度的话 ， 那么整个宇宙的空间就会因为引力大于膨胀率表现出正曲率的三维封闭球面 。 这样的宇宙有限但无界 。
并且最终宇宙会停止膨胀 ， 发生大坍缩 。 有一个很好的类比就是地球表面 ， 我们知道生活在地球表面的生物都是三维的 ， 可以向左向后、向前向右 ， 也可以向上向下 。
但是由于引力的缘故 ， 想要在上下这个维度移动非常困难 ， 而且从外太空上看地球的话 ， 地球表面的生物可以被当作二维平面上的生物 。
由于地球是个由二维表面构成的三维球体 ， 所以麦哲伦当年一直往西航行 ， 最终从东边回到了原地 。 所以说地球表面是无界的 ， 但体积、表面积是有限的 。
那么一个由三维表面构成的高维球体呢？
生活在三维空间中的生物其实也一样 ， 你朝一个方向不断的前进 ， 只要速度足够快 ， 你就可以在有生之年 ， 从另一边返回原地 。 这就是一个封闭的有限但无界的宇宙 。
当宇宙真实的能量密度大于临界密度的话 ， 宇宙就是一个开放的三维马鞍球面 ， 这样的宇宙也是无限无界的 。 可以一直膨胀下去 。
接下来最重要的就是测量宇宙的真实能量密度了 ， 宇宙如此浩瀚 ， 物质星系如此之多 ， 还有我们不清楚成分的暗物质存在 ， 直接测是不可能的 ， 也办不到 。
不过我们有个非常巧妙的办法 ， 我们知道空间的曲率可以改变万物运动的路径 ， 光线也不例外 。 我们可以观察在宇宙中传播了非常远的光线 ， 就可以在整个宇宙的大尺度上看到宇宙空间的曲率 ， 当然也就知道了宇宙的形状 。
那么选择何种光线呢？最佳的候选者就是微波背景辐射的光子 ， 这些光子可是在宇宙传播了138亿年 ， 宇宙空间的曲率到底怎样 ， 我们就可以在微波辐射的功率谱中看到 。 仔细看下图 ， 并阅读文字：
如果宇宙有形状光线就会弯曲 ， 微波辐射的热点、冷点大小就会发生变化 ， 如果没有曲率那光线也不会弯曲 。
这其实就是在观测整个宇宙的引力透镜效应 。 上世纪我们测量的结果是 ， 宇宙空间没有可分表的曲率 ， 这就说明宇宙是平坦的 ， 能量密度和临界密度几乎一致 。
但是在发表的论文中 ， 科学家重新研究了普朗克卫星对微波背景辐射的观测数据 ， 发现了存在比标准中预测的更强的透镜振幅 。


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