《關於夜空的362個問題》:我們怎麼知道宇宙的形狀是什麼樣子?

《關於夜空的362個問題》:我們怎麼知道宇宙的形狀是什麼樣子?
Photo credit: NASA/Handout via REUTERS/達志影像
我們想讓你知道的是

我們知道宇宙似乎可以說幾乎是完全平的,但是我們並不百分之百確定確切的數字,就像所有的物理測量一樣,有一些部分還是不確定。這些不確定代表我們可能有一天,會測量到早期宇宙結構的特徵,暗示宇宙在比我們所見的更大尺度上,並不是平的。

文:摩爾(Patrick Moore)、諾斯(Chris North)

宇宙的質量是否在增加?

──蓋樂(多塞特,浦爾)

簡單的答案是「沒有」──至少如果你假設這個質量和能量相等的話。這是愛因斯坦讓我們知道的,也是E=mc2這個等式經常被引用的理由之一。物質會一直轉換成能量,舉例來說,當一顆恆星燃燒核燃料的時候,就會創造出光。但是也可能發生相反的事:光的光子也可能衰變成物質的粒子。當我們說到宇宙的內容時,我們說的通常是能量密度,由相等的能量說明物質。

我們看不到整個宇宙,只能看見那些夠接近、光足以有足夠時間到達我們這裡的部分。隨著時間過去,我們可以看得更遠,看見更多的星系。不過如果我們在某個時刻拿特定體積的太空來看,比方說我們目前看得見的整個宇宙,那麼平均來說,是沒有東西在這裡進出的。我們選擇的這個區域每離開一個光子,都會有另一個進來填補。可是宇宙在擴張,使得這個固定區域的體積會變大。雖然能量內容可能維持不變,可能密度卻一直在變小,因為體積一直變大。

宇宙的形狀是什麼?我們怎麼知道?

──貝克(伯克夏,阿斯科特)與史卓德(漢普夏,南安普敦)

關於宇宙形狀的討論,一般都和該如何以巨大的天秤來處理有關。為了做到這一點,我們把宇宙想像成平面的。(顯然宇宙不是平面的,但是立體空間的轉換是出了名的難以具象化的!用二維的表面來表現比較容易,這樣我們才能用第三維來移動這個平面。)現在想像我們在一張紙上畫一個三角形。小學生就學過,三角形的內角相加會是180度,而且畫在一張紙上一定也是這樣。三角形的內角相加確實是180度的二維平面,稱為具有「平坦幾何」的二維平面。

現在想像一個球體的平面,比方說地球的球面。從赤道開始,往北畫一條到北極的線,接著轉一個直角,讓線回到赤道。然後在這裡再轉一個直角,回到線的起點。這樣你就畫出了一個在球體上的三角形,不過這個三角形裡的三個角都是直角。這表示這三個角的總和是270度,不是180度。

這樣的形狀具有「正曲率」,代表三角形裡的角度加起來超過180度。如果你沿著這些線走(游,或飛),你會覺得自己一直都在走直線,無法察覺到表面的曲率。只有當你從三維立體的角度來看,才會發現這些線看起來是彎曲的。

我們可以想像有一個表面,上面的三角形的內角總和是小於一百八十度的。這就是有「負曲率」,最簡單的就是想像馬鞍的形狀:兩側往下,前後往上。這些線條近看是直的,但遠看就像是往外彎的。這些看起來都很抽象,而且怎麼在不同的形狀上畫三角形和宇宙有什麼關係?這點你可能也不是很明白。現在我們不畫線,想像發射一束光。在正曲率的宇宙裡(比方說球體),光束會朝彼此彎曲,使得東西看起來比實際上大,此時宇宙就像是一個巨大的透鏡。在負曲率的宇宙裡,線條會往彼此的反方向彎曲,物體看起來會變小。

所以我們怎麼測量光束是不是以直線前進呢?首先我們要知道物體有多大,這樣我們才能和它「看起來」的大小做比較。還好我們有一些已知大小的東西,也就是眾所周知的大爆炸的殘留,宇宙微波背景的一些特徵。當我們觀察宇宙初期殘留至今的這些微波時,看到的是比其他稍微熱一點、密度高一點的部分。我們其實很清楚這些熱的(和冷的)點的形成──早期的宇宙可能更熱、密度更高,但是就物理學上來說,其實是很容易理解的地方。

接著我們可以從地球上的一個角落開始畫三角形,另外兩個點則在一個熱點的兩端,這樣畫出來的形狀,正是3個內角相加應為180度的三角形。這表示光是以直線前進的,而且宇宙的形狀在這個大尺度來看是平坦的。我們也可以利用在龐大尺度上的星系分布之類的特徵,在比較接近我們的天體,而不是在我們可見的最遙遠的宇宙做一樣的事。基本上,只要是尺寸已知的東西,我們都可以這麼做。

我們知道宇宙似乎可以說幾乎是完全平的,但是我們並不百分之百確定確切的數字,就像所有的物理測量一樣,有一些部分還是不確定。這些不確定代表我們可能有一天,會測量到早期宇宙結構的特徵,暗示宇宙在比我們所見的更大尺度上,並不是平的。也許還有其他的可能性存在,比如說宇宙是橄欖球形的,在交叉的區域則接近平坦,但又不完全平坦。歐洲太空總署的普朗克衛星會得到新的測量結果,有助於進一步修正這些測量值,讓我們更確定宇宙的形狀是什麼。

我們怎麼確定宇宙是不是無窮盡的?

──波費(蘇佛克,伊普斯威治)、萊特(多塞特,威茅斯)

其實我們不能確定宇宙是不是無窮盡的。目前為止的測量結果告訴我們,整個宇宙的大小可能比我們看到的任何東西都要大很多很多,但是它是不是無窮盡的,就更加難以測量了。

宇宙外面有什麼東西?宇宙又是往哪裡擴張?

──沃克(北愛爾蘭,伯發斯特)、揚(倫敦)、莫瑞(利物浦)

宇宙之外有東西的這個想法,幾乎一點都沒有意義,因為這是一個涉及宇宙之外還有空間的概念。我們所了解的空間──有上下左右前後的三維空間──只在宇宙的範圍內有定義。我們所知的宇宙可能是嵌在一個更高維的結構裡,但是我們無法以同樣的方式來測量更高的維度。

將擴張中的宇宙具象化很困難,但我把它和充氣中的氣球相比,氣球的表面上有星系,會隨著時間彼此愈來愈遙遠。在這個類比中,氣球的內部有沒有東西呢?

──克拉克(東索塞克斯,布來頓)

膨脹的氣球的類比很有用,因為這讓人能了解擴張中的空間是沒有邊緣的。在這個例子當中,宇宙是氣球的表面,整個太空都在這個表面上。但是氣球內部的成分是沒有意義的。

之所以會有這個問題,是因為我們把宇宙想成在三維世界裡的二維平面。可是其實應該用一隻爬在氣球表面的螞蟻的角度,來思考這個氣球表面。這隻螞蟻(以這些條件來說,牠無法往上看,所以只有二維的存在)只知道氣球的表面而已。而由於這個表面夠大,對一隻小螞蟻來說,它就是一個平面,就像是從我們這些在地球上爬的人的角度來看,地球也是一個平面一樣。

如果這顆氣球的內部還是讓你有疑問,你可以試著把宇宙想成一張不斷變大的平面床單。這樣想的問題是,你會很難擺脫它有邊緣的想法,所以你會覺得這張床單的大小是有限的。恐怕真的沒有一個簡單的答案。

相關書摘 ►《關於夜空的362個問題》:如果太陽突然消失,地球上的生命多快會滅絕?

書籍介紹

《關於夜空的362個問題:從天文觀測、太陽系的組成到宇宙的奧祕,了解天文學的入門書》,貓頭鷹出版

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作者:摩爾Patrick Moore、諾斯Chris North
譯者:鍾沛君

  • 為什麼觀測天文時不能用雙筒望遠鏡?
  • 為什麼火星沒有大氣?
  • 如果外星人來電,我們該回應嗎?
  • 針對火星的探索會不會引發新的太空競賽?
  • 我們有沒有可能前往另一個星系?
  • 掉到黑洞裡會發生什麼事?

從如何在地球上觀看星空,到有關月球、太陽系,再到更遙遠的星系與更寬闊的宇宙之謎,本書中包含對於浩瀚宇宙的各種疑問。摩爾爵士與諾斯博士用專業而生動的方式,解答我們對於宇宙的提問,讓我們對寬闊的宇宙能有更多想像。自1957年4月24日開播至今,《The Sky at Night》是世界上最長青的科普節目,每月針對一個天文現象做深入的介紹。在其漫長的播映歷史中,本書作者摩爾爵士自首集開始就擔綱主持了55年。為慶祝節目播出55周年,摩爾爵士與天文學家諾斯博士,在2012年邀請全世界的觀眾提出各種有關天文的問題,並在本書中一一解答。

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Photo Credit:貓頭鷹出版

責任編輯:朱家儀
核稿編輯:翁世航