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如果有個哆啦A夢的《顛倒星球》,我們就能知道宇宙的形狀?

哆啦A夢有一集叫做《顛倒星球》:劇情是大雄一如往常的在學校裡被別人取笑,他便在七夕時祈求神仙令他變得聰明一點。哆啦A夢看見了,就拿出一台天文望遠鏡讓大雄用它來看看廣闊的宇宙,希望他的心情會因此變得好一點。

圖/giphy

看著看著,大雄突然間發現了一個和地球十分相似的星球,但有趣的是上面的大陸分佈跟地球的左右顛倒了。之後哆啦A夢與大雄一起乘坐太空船飛到這顆星球上面,驚奇地發現不單只有的大陸形狀,這裡的一切跟地球上的都完全相反,例如:男女的社會角色顛倒(這或許這是藉此對日本父權社會文化的一種探討吧)、貓與狗的叫聲顛倒、出木杉經常拿零分、甚至有一個女性打扮的哆啦A夢。

以前我經常在想,這一切都沒有可能吧!我們知道不單止生命,要使兩個星球有着同樣大小和形狀的大陸的機會率簡直微乎其微,因為這一切都與非常大量的粒子互動的結果有關。

不過,宇宙學告訴我們,這其實是有可能的!而且如果我們能觀察到這樣的一個顛倒星球,就能解決宇宙學其中的終極問題:時空的大尺度形狀究竟長什麼樣子?

如果我們觀察到這樣的一個顛倒星球,就能解決宇宙學的其中一個終極問題:時空的大尺度形狀究竟長什麼樣子?
圖/pixabay

宇宙的形狀

我們首先要討論一下宇宙的形狀。愛因斯坦的廣義相對論能夠描述整個宇宙的形狀和演化。宇宙的形狀可以分為三類:平坦的、開放的、封閉的。

那什麼叫做封閉的宇宙呢?我們可以用地球儀來比喻:拿起一個地球儀,我們可以看見它的表面是沒有邊界的。如果你從表面的任何一點出發,向著任意一個方向走,你最終會從起點的後方繞回來;因此,我們就說地球的表面是封閉的。

Source:Pixabay

現在,讓我們把維度提升一級,想像三維空間也是如此。如果你從宇宙的任何一點出發,你最終會從出發點的後方繞回來,這樣的一個宇宙就是封閉的。而在開放的宇宙裡,如果你不調頭,就永遠不會回到原來出發的地方。無限延伸的宇宙的形狀,如果用二維平面比喻,要不就是一張平坦的紙,要不就像一個馬鞍的形狀。理論上我們可以在宇宙中畫一個非常巨大的三角形,量度它的內角總和。如果宇宙是封閉的,我們就像在地球表面畫出一個非常巨大的三角形一樣,你會發現內角總和會比 180 度更大;相反,如果宇宙是開放的馬鞍形狀,你會發現內角總和少於 180 度。而如果宇宙是平坦的話,內角總和就會剛好等於 180 度(即如同一張平坦的紙一樣)。可是,就正如在日常尺度中,我們感受不到地球的表面是彎曲的,因為相對於地球來說我們太細小了,要畫出一個足夠用來量度整體宇宙形狀的三角形基本上是不可能的。

封閉的宇宙就是從宇宙的任何一點出發,最終會從出發點的後方繞回來;而在開放的宇宙裡,如果不調頭,就永遠不會回到原來出發的地方。
圖/pixabay

 

科學家只能透過觀察非常遙遠的星系的光,細心檢查這些遙遠星系的影像有沒有異常之處。由於物質產生的重力會使光線的軌跡彎曲,我們就能看到光線扭曲了的影像。如果在這些影像之中看到星光曾經被相反方向的星系扭曲的話,就能證明光線曾經繞過宇宙一周回來了。可是這個方法有一個問題,那就是即使宇宙是封閉的,它還是非常巨大,像是星光從宇宙誕生的 137 億年以來,根本還沒跑完宇宙一週,還未考慮宇宙膨脹的問題呢!

宇宙裡有千千萬萬無限個我?

那麼,我們究竟要如何分辨宇宙的形狀呢?天文學家以觀察遙遠星系的分布和微波背景輻射來計算出宇宙的曲率,而觀測結果顯示宇宙的形狀非常接近平坦,這代表我們一旦出發,就可能永遠不會回到起點。

接著就是本文最重要的一個假設:假設我們身處的宇宙空間,相對整個宇宙來說並沒有任何特別之處。那麼,如果我們建造一艘超越光速的太空船,讓我們能夠即時飛到宇宙任何一個角落,我們應該會見到非常相似的星空,發現四周有著差不多數量的各種形狀的星系包圍着我們 ── 這就導致一個非常奇怪的結論:「宇宙有著無限多物質」。

「無限」是一個非常奇怪的概念,其中一個特點是無論一件事情機率多少,在一個有著無限多物質的宇宙之中,這事都必然會發生。所以,在一個有著無限多物質、絕對平坦的宇宙之中,只要物理定律允許,一切事件都必然會發生!那我們必然會在宇宙某個角落找到一個與地球完全一模一樣的星球,而且上面住著另外一個我,另一個體型、聲線、外貌,還有喜好、身體裡的遺傳密碼、構成身體的成份,甚至身體裡各個粒子的排列都完全一樣的我!

或許不單止有一個我, 也可能「此時此刻」宇宙中有著無限個我正在做同樣的事情:在寫這篇文章。

「無限」其中一個特點是無論機率多少,在一個有著無限多物質的宇宙之中,這事都必然會發生,像是可能在「此時此刻」宇宙中有著無限個我正在做同樣的事情。
圖/giphy

只不過,現在的觀察仍然未能完全分辨宇宙的形狀。如果宇宙是開放的或者是封閉的話,或者沒有無限多的物質,以上情況都不會發生。

大雄觀察到宇宙之中存在著如此一個顛倒星球,就是宇宙是絕對平坦的一個非常有力的證據!如果提出來,這絕對是諾貝爾獎級的大發現,哆啦A夢也就再也不用擔心大雄會被人欺負!而如果我們現實中也能找到這樣的「顛倒星球」,肯定不只會得到諾貝爾獎,也絕對會震驚整個世界!

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登月失敗者大會(誤):《阿波羅13號》觀影會+映後座談

在哪裡跌倒就在哪裡躺一下,然後站起來就好!(?

在地球是這樣,在月球也是如此。但如果不是跌倒,而是火箭發射後出了些狀況呢?只說了句「休士頓,我們有麻煩了」可是回不了地球的,
讓我們在登月50週年之際,不只談談成功的登月,更要一起重溫《阿波羅13號》,來看看勵志的登月失敗案例!(無誤)

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關於作者

余海峯 David

天體物理學家。工作包括科研、教學和科學普及。德國馬克斯・普朗克地外物理研究所博士畢業。現任香港大學理學院助理講師。現為《立場科哲》科學顧問、《物理雙月刊》副總編輯及專欄作者、《泛科學》專欄作者。合著有《星海璇璣》。

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