1915年,爱因斯坦在广义相对论中发现,引力可以被描述为空间和时间的弯曲,而不是天体之间的一种作用力。

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举例来说,牛顿认为月亮围绕地球运行是因为它沿着一个圆形轨道运动,而爱因斯坦则认为月亮实际上沿着一条直线运动,但这条直线位于弯曲的空间中。这就像一个人在地球赤道上沿着直线走,但实际上是在沿着一个巨大的弧线前进。

根据这一理论,任何天体附近的空间都会因其质量而弯曲并变形。那么,如果宇宙是由空间构成的,宇宙整体的形状又是什么样的呢?

科学家们通常讨论三种可能的形状:平坦的空间(如桌面),球形的空间(如地球表面),以及马鞍形的空间(看起来像一个巨大的马鞍)。

每种形状的几何特性都不同,具体体现在平行线的行为以及三角形内角和的变化上:

  1. 平坦空间:两条平行线永不相交,三角形内角和为180°。
  2. 球形空间:平行线最终会相交,三角形的内角和大于180°。
  3. 马鞍形空间:平行线逐渐远离彼此,三角形的内角和小于180°。

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再举一个例子:在地球的球形表面,赤道上的两条平行线北向线和东向线,在赤道上是平行的,但它们最终在北极相交。这样,若以赤道上两点和北极为顶点构成一个三角形,其内角和会大于180°。

科学家们通过观测宇宙大爆炸后留下的宇宙微波背景辐射,找到了判断宇宙形状的方法。

在宇宙诞生初期,炽热的等离子体中形成了具有特定波长的声波,这些声波导致了高密度(高温)和低密度(低温)区域的分布。随着宇宙膨胀和冷却,这些温差通过敏感的射电望远镜仍然可以观测到。

光以固定的速度传播,因此来自遥远天体的光实际上是很久以前发出的。这意味着,通过观测这些辐射,科学家可以“看到”宇宙在大爆炸后的早期状态。

天文学家通过测量这些高温和低温区域之间的角距离,判断出宇宙的几何形状。如果空间是平坦的,这些区域的角距离应该为1°;如果是球形或马鞍形,这个角度会更大或更小。

天文学家的数据表明,测量的角距离非常接近1°,这表明宇宙的形状是平坦的。这意味着,宇宙是无限大的,远远超出我们用望远镜能够观测到的范围。

然而,科学测量总是存在一定的不确定性。这意味着宇宙可能存在极小的弯曲,只是当前的仪器精度不足以探测到它;或者,宇宙可能是一个非常大的球形或马鞍形空间,而我们只看到了其中的一小部分。

宇宙的“平坦性”是科学中尚未解答的谜题之一。这种独特的几何形状是如何形成的?在无数可能性中,为什么宇宙选择了这种形状?这些问题仍在等待科学家们进一步揭开答案。