宇宙的最外圍，是一面牆嗎？科學家研究為“鬼打牆”

如果宇宙的邊界有一堵牆 假設我們駕駛一艘超級強大的飛船 穿過了這堵牆 宇宙的外面又是什麼樣的 我相信這是很多人小時候都思考過的問題 今天我要認認真真的爲大家回答這個問題 這個節目全程燒腦 老規矩咱們還得從頭說起 時間要回到1964年 美國新澤西州貝爾實驗室 兩位工程師 彭齊亞斯和威爾遜 正在調試一臺微波天線 可無論他們怎麼調整 天線裏總有一種奇怪的背景噪聲 這個聲音像什麼 就像以前電視機在沒有信號時發出的沙沙聲 或者叫白噪聲 他們以爲是設備出了問題 徹底檢查了線路 把天線裏的鴿子糞都掃光了 從裏到外打掃的乾乾淨淨 可是噪聲仍然存在 這個噪聲到底是什麼呢 就在他們毫無頭緒的時候 聽到了一個消息 不遠處的普林斯頓大學 正在研究宇宙大爆炸的剩餘溫度 當雙方把線索對上時 意想不到的答案出現了 天線裏那個怎麼也消不掉的沙沙聲 其實就是宇宙大爆炸留下的回聲 彭齊亞斯和威爾遜 在無意間取得了一個 震驚科學史的重大發現 他們也因爲這個發現 獲得了1978年的諾貝爾物理學獎 什麼叫宇宙微波背景輻射 微波是一種光 它來自宇宙誕生後大約38萬年 那個時候炙熱的宇宙終於冷下來了 光子第一次可以自由飛行 隨着宇宙膨脹 光子的波長被不斷拉長 能量不斷降低 在138億年之後 光子就變成了波長更長 能量更低的微波 宇宙微波背景輻射的發現爲什麼重要 因爲過去人類沒有什麼手段去研究宇宙 而宇宙微波背景輻射 給了我們一把可以探測宇宙的鑰匙 通過研究這些最古老的光 可以幫助人類追尋三個問題 一是宇宙是否發生過大爆炸 二是宇宙的成分是什麼 第三點就是今天咱們要講的重點 宇宙到底是什麼形狀的 下一個問題緊接着就來了 那麼宇宙的形狀應該怎樣去研究呢 時間來到1989年11月18日 美國加州范登堡空軍基地 一枚德爾塔5920火箭騰空而起 上面搭載了美國航空航天局 NASA發射的庫比衛星 這是人類第一顆高精度全天測量 宇宙微波背景輻射的衛星 標誌着宇宙學從此成爲了一門精密科學 庫比衛星在距離地球約900公里的 近地軌道上運行 使用微波探測器反覆地掃描整個天空 測量來自不同方向的微波背景輻射 經過多年觀測和數據處理 科學家最終合成了一張 全天空的宇宙微波背景圖 1992年4月23日 庫比衛星的研究成果首次向全世界公佈 就是這張神奇的圖片 當研究者展示這張圖的時候 全場爆發出雷鳴般的掌聲 這張圖片意義非凡 這是人類第一次看見了 宇宙微波背景輻射中的微小的溫度起伏 他發現宇宙的平均溫度是2.73開爾文 相當於零下270.4攝氏度 宇宙非常的寒冷 讓人意想不到的是 宇宙各個地方的溫度只有十萬分之一的波動 這是一件非常詭異的事情 大家可以把宇宙想象成一鍋湯 要想讓這鍋湯的溫度均勻 需要不斷的攪拌這鍋湯 但是宇宙實在是太大了 早期宇宙中根本來不及互相交換信息 他們沒有時間傳遞光 更沒有時間商量出同一個溫度 目前最主流的解釋是 宇宙在極早期可能經歷過一次爆炸 在爆炸之前各個區域曾經靠得很近 所以別看宇宙那麼大 卻有着近乎相同的初始溫度 這張圖片成爲宇宙大爆炸的重要證據之一 那麼問題來了 研究宇宙的溫度就能瞭解宇宙的形狀嗎 答案是可以 咱們在後面繼續解釋 但是這張圖片有一個致命問題 就是精度不足 可以說 酷比衛星的視力很差 而且它處在近地軌道上 被地球和月亮的熱輻射強力的干擾 怎麼辦 只能再發衛星 再探宇宙的祕密 時間來到2001年6月30日 美國佛州卡納維拉爾角空軍基地 德塔二型火箭 帶着人類對宇宙無窮的好奇 再次升空 火箭裝載着WMAP衛星 中文叫威爾金森微波各項異性探測器 這顆衛星的觀測角分辨率的精度 比酷比提高了33倍 這是跨越式的進步 爲了排除地球環境的干擾 衛星一直飛到了150萬公里外的 日地拉格朗日L2點 這個位置是一個引力平衡點 衛星在這裏可以基本與太陽和地球 保持相對靜止 WMAP衛星的核心貢獻就是這張圖 叫高精度全天宇宙微波背景輻射圖像 科學家可以通過衛星一系列的數據 測量宇宙的年齡 宇宙成分 暗物質和暗能量的比例 但是今天咱們主要講的是宇宙形狀 所以其他部分就不提了 那如何通過這張圖瞭解宇宙的形狀呢 早期宇宙裏有一種密度波 這種波的大小可以在衛星圖上觀測到 通過研究照片裏冷熱斑點的典型角度 科學家就能夠判斷宇宙空間的幾何曲率 奇怪的事情出現了 法國天體物理學家讓皮埃爾·盧米內發現 那種巨大的橫跨整個宇宙的大尺度波動 比理論預測的弱得多 什麼意思 舉個例子 當風吹過湖面時會看到兩種波紋 一種很小 一圈一圈的盪開 另一種很大 幾乎橫跨整個湖面 但是現在湖面上所有的小波紋都在 最大的那些波浪卻非常的弱 這就產生了一種可能性 整片湖其實沒有想象的那麼大 以此類推 宇宙有沒有可能也沒有那麼大呢 盧米內經過深思熟慮 得出了一個令人匪夷所思的答案 宇宙並不是無限的 宇宙這個房間根本放不下那些巨大的波 所以那些跨度最大的波動看上去如此的微弱 按照他的計算 整個宇宙的體積 大約只有可觀測宇宙體積的80%左右 如果粗略的換算成一個同體積的球 直徑大約860多億光年 這就不對了 天文學家根據多種手段觀測 計算出可見宇宙的直徑 大約是930億光年 整個宇宙怎麼會比我們能看到的可觀測宇宙還小呢 對於我們普通人來說 這是不可思議的 但是天文學家可以解釋 關鍵就在於光的傳播路徑 如果宇宙空間本身是首尾相連的 那麼光就出不了宇宙 它可能繞過了整個宇宙 再次進入到原來的空間區域 怎麼理解呢 可以想象一張高級版的吃豆人地圖 大嘴從屏幕的右邊走出去 不會撞牆 也不會掉頭 而是直接從屏幕的左邊重新出現 這種對宇宙空間結構的研究 在數學上有一個專門的名字 叫做拓撲結構 幾何學關心的是空間彎不彎 拓撲學關心的是空間怎麼連接 大家比較熟悉的一個例子 就是莫比烏絲帶 我現場給大家用紙帶做一個莫比烏絲帶 這是一個二維的紙帶 大家能看出來 正反兩面 莫比烏絲帶非常好做 就是把它這麼轉個圈 粘上 粘上之後 這個莫比烏絲帶就做好了 大家能看出來吧 它已經從一個二維的結構 它變成了一個 這是一個最簡單的拓撲結構 它最有意思的地方在哪裏 大家看這個 我從這個點 開始在莫比烏絲帶上行走 大家看到沒有 這已經走到後面來了 我繼續走 神奇的地方出現了 看 它和出發點 又連在一起了 這就是拓撲結構的神奇之處 就是我從一個點走 理論上它正反是兩個面 但當我把它變成莫比烏絲帶的時候 我從一個方向走 只要我不停 我終究會走回到這個點上 是不是很有趣 呂米內提出 也許我們的宇宙 就具有類似的拓撲結構 這樣一來 宇宙就可以是有限的 卻沒有邊界 這就解釋了 爲什麼宇宙的體積 可以小於可觀測宇宙的大小 因爲光在拓撲結構中 走了更遠的路 它繞回來了 但是在地球上觀測 我們會覺得宇宙更大 在呂米內和合作者的宇宙模型裏 宇宙到底長成什麼樣子呢 是長成這個樣子 這個特殊的三維拓撲結構 最早由法國數學家亨利龐加萊提出 所以叫做龐加萊十二面體 十二面體的相對面 兩兩的連接在一起 每個面都是一個正五邊形 說了這麼多 現在咱們就可以回到 一開頭提出的問題了 假設我們駕駛一艘超級強大的飛船 來到了宇宙的邊緣 會怎麼樣呢 飛船從一個五面形飛出去 並不會撞牆 也不會反射回來 而是會從對應的 另一個五邊形面重新出現 但是方向會旋轉36度 這是一系列非常複雜的數學計算 魯米內得出的數據 與WMAP衛星的數據是相吻合的 2003年 魯米內和同事將這一模型 發表在著名的科學期刊《自然》上 這篇論文 迅速的引起了全球宇宙學界的關注 媒體也大肆報道 宇宙可能是一個巨大的十二面體 也有文章說 我們可能生活在一個有限 卻沒有邊界的世界 不過真正讓科學家興奮的 並不是十二面體本身 而是這個模型第一次提出了一個 可以用科學數據驗證的語言 這纔是科學最關鍵的地方 什麼叫科學 這也是我在節目裏 經常想普及的一個概念 科學不是誰提出了一個 聽起來很大膽 很震撼的理論就算完了 最重要的是後半部分 這個理論必須接受觀測和實驗的檢驗 如果證據支持它 它就暫時站得住腳 如果證據不支持它 它就必須被修改 甚至被放棄 所以科學不是永遠不變的真理 科學是一整套不斷逼近真相的方法 現在震驚的理論出現了 宇宙可能是十二面體 但是這個假設是真的嗎 如果這個模型是真的 宇宙一定會留下證據 這個證據是什麼呢 如果宇宙真的首尾相連 那麼光就可能繞着宇宙走不同的路徑 最後從不同的方向到達地球 尤其是在宇宙微波背景輻射上 這種重複應該留下了特殊圖案 可以想象 天空是一張巨大的球形地圖 如果宇宙空間真的閉合 那麼這張圖上應該有一些成對的圓 兩個圓上的溫度起伏應該非常的相似 科學家把這個圖案叫做匹配圓 這就是關鍵所在了 如果找到了匹配圓 而且它們之間還帶有36度的旋轉關係 那麼宇宙有限閉合的證據就會非常強 這個思路太讓人興奮了 可是科學家仔細的對比了 WMAP衛星上的全部數據 卻沒有發現能夠令人信服的匹配圓信號 爲什麼 有一種可能性 就是WMAP衛星的探測精度還不夠高 怎麼辦 爲了繼續探索浩瀚的宇宙 人類需要一顆更強大的眼睛 時間來到2009年的5月14日 法屬歸亞納航天中心 歐洲空間局發射了普朗克衛星 相比WMAP衛星 普朗克衛星的觀測角分辨率提高了2.5倍 頻率通道由5個頻段提高到9個頻段 這是人類發射的最強大的探尋宇宙微波的科學儀器 普朗克衛星同樣飛到了距離地球 約150萬公里的日地拉格朗日L2點 開啓了它的科學歷程 發射近4年後 2013年 普朗克團隊公佈了首批宇宙學結果 全球的宇宙學家們對這些數據翹首以待 這張圖就是衛星合成的宇宙微波背景圖 稱爲普朗克宇宙微波背景全天圖 相比WMAP 普朗克衛星把宇宙微波背景圖拍得更加清晰 科學家在海量數據中系統尋找 魯米內模型預言的匹配源 但沒有發現具有說服力的信號 這意味着普朗克數據並不支持 那個尺度較小的龐加萊十二面體宇宙模型 但科學的迷人之處也正在這裏 沒有找到並不等於絕對不存在 就像你站在海邊 用手電筒照向黑暗的大海 沒有照見島嶼 只能說明在光速能夠抵達的範圍內 沒有發現島 並不能證明整片大海中沒有島嶼 所以今天比較準確的結論是 龐加萊十二面體宇宙不是幻想 它有數學基礎 有觀測動機 也提出了可以檢驗的預言 但截至目前 我們沒有找到支持它的證據 宇宙究竟是什麼形狀 它無限延伸 還是在某個我們看不見的尺度上 首尾連接 我們仍然不知道