「趣科技⑳」宇宙到底是什么形状的？你万万想不到……

我们视线所及之处的空间似乎在朝着四面八方无限延伸，这不禁让人遐想：宇宙究竟是什么形状的？

目前，对宇宙的形状有三种主要的假设：

一、宇宙是平坦的，像纸张一样；

二、宇宙的曲率为正，像球体一样；

三、宇宙的曲率为负，像马鞍一样;

古代关于宇宙的思考和探索

当然一些睿智的古人对地球和宇宙的形状也给出了一个大胆的猜测。

例如：古希腊数学家毕达哥拉斯等人在公元前500年的时候就认为地球是圆球形的。之所以提出这个观点，是因为他们发现在所有的立体图形中，球形各处的受力是最均匀的，也是最完美的物体形状。所以古希腊的一些学者认为地球是圆球形的，宇宙也应该是同样的形状。

我国东汉时期的著名天文学家张衡对于地球和宇宙的形状，也提出了“天如鸡子，地如鸡中黄”的观点。而张衡为什么会认为宇宙是像鸡蛋那样的圆球形，古书上并没有记载。

通过这些，我们也可以看出，古人的智慧不可小觑，而在人类走进科技时代之后，我们通过先进的观测设备对宇宙有了更多的认知。

宇宙复杂的几何性质

说到宇宙的形状时，天文学家们通常会提到两个概念：

1、局部几何的概念：这涉及到可观测宇宙的几何形状及其曲率。

2、全局几何的概念：这涉及到拓扑学的概念，在拓扑学中，事物可能会与它们看起来的样子截然不同。

如果我们可以观察整个宇宙，并且不受其几何性质或其它特征限制，那么以上两条就是一致的。但如果凑巧两者不一致，并且观测被某些宇宙的内在特性所限制，我们就无法知道宇宙形状。

大多数人会认为宇宙是一个对称的球形——差不多像地球一样的球状。我们知道地球表面不是平的，在几何学中，这意味着地球表面上看似“平行”的线并不真正平行。所有的线，即使它们开始时候平行，最终也会有交点，并且它们之间的距离不是固定的。如下图所示：

三种可能的宇宙的形状：封闭式，开放式和平面

在二维空间中，欧氏空间就是一个无限延伸的平面，而各处曲率相同的非欧空间只有两种可能的形状：一种是球体表面，这种空间被称为“闭合”的，因为你一直沿一个方向行走，最终总能回到起始点；另一种是类似马鞍的形状，这种空间被称为“开放”的，在这样的面上，沿着一个方向走会距起始点越来越远。

最新数据，破译宇宙形状

关于宇宙的形状，苏联物理学家亚历山大·亚历山德罗维奇·弗里德曼（Aleksandr Alexandrovich Friedmann）最先取得了一些进展，他认为宇宙中质量和能量的密度决定了宇宙是闭合的还是开放的。

根据弗里德曼的模型总结出的两个方程显示，物质的引力会减缓宇宙膨胀的速度，并且如果测得的物质密度高于每立方米6个质子质量的临界密度，那么宇宙就应当是一个闭合空间。这样一来，只需要知道弗里德曼方程中的参数，就能够了解宇宙的几何结构和演化历史。而其中最主要的参数，就是宇宙中质量和能量的密度。

当宇宙密度等于临界密度，宇宙没有曲率，是平坦的，像一张向各个方向无限延展的纸。当宇宙密度大于临界密度，则宇宙为正曲率，宇宙呈闭合状态，如同球体的外表面（凸起）。当宇宙密度小于临界密度，则为负曲率，宇宙呈开放状态，像马鞍表面（凹陷）。

密度参量Ω用宇宙的平均密度除以临界密度得出。若：

Ω=1，宇宙是扁平的：宇宙就如同一张平整的纸张一样

Ω＞1，宇宙是正弯的：宇宙应该就是球形的

Ω＜1，宇宙是负弯的：宇宙应该类似于马鞍的形状……

今年2月，剑桥大学的乔治·埃夫斯塔西奥（George Efstathiou）和史蒂文·格拉顿（Steven Gratton）在预印本网站arXiv上共同发表了一项对于普朗克卫星数据的分析。在这项研究中，他们利用一种全新的数据分析方法，包括普通物质、暗物质、能量子（光子、中微子这些）还有暗能量等……可观测宇宙的密度与临界密度十分接近：Ω=1.00±0.02，最终符合平坦宇宙的假设。

其实研究宇宙的形状其实是在为研究宇宙的起源提供线索，它同时也是我们推测宇宙的最终命运的关键信息。它与宇宙中物质的形状和密度，以及暗能量的强度息息相关，而这一切都将最终决定宇宙是会在大挤压中收缩回去，还是在热寂中四散死亡。

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