宇宙到底是圆的还是扁的？

晓望爷

? Forbes

利维坦按
我们都知道，目前解释宇宙起源最广泛的理论是大爆炸。而基于大爆炸理论，我们很容易根据思维的惯性去想当然地推测宇宙的形状，得出“宇宙是一个球体”的结论——宇宙似乎没有任何理由去表现出某种非对称性。
这是每一个正在探寻客观真相的思索者都极力绕开的“逻辑舒适区“。即便宇宙真是一个球体，我们也需要用足够的证据来证明这一结论，而非想当然。就目前而言，我们离这个目标还有很远。

当我们说一个物体的形状，是默认在一个三维空间模型中进行表述。但又有很多科学家告诉我们，宇宙远不止3个维度，所以我们又如何去理解一个高于三维的空间中的形状？形状和维度的数量应该是怎样的关系。如有可能，请指教。

如上图左边所示，如果是在平坦的宇宙中，一条直线将延伸到无穷远；而图片右边的封闭宇宙则像球体一样，表面是曲面。在封闭宇宙中，一条直线最终会回到自己的起点。? Lucy Reading-Ikkanda

近日，《自然天文学》（Nature Astronomy）杂志发表了一篇颇具争议的论文。论文质疑了宇宙学标准理论预测的“宇宙是平的”，认为宇宙应该是像球体一样，是弯曲、闭合的。论文作者重新分析了主要的宇宙学数据集，认为这一数据支撑封闭宇宙论的确定性足有99％——哪怕仍有其他证据可以表明宇宙是平坦的。

（www.nature.com/articles/s41550-019-0906-9）

罗马第一大学的亚历山德罗·梅尔奇奥里（Alessandro Melchiorri）指出，这里所提到的数据是普朗克太空望远镜对古代光的观测结果，被称为宇宙微波背景（CMB, cosmic microwave background）。他认为这一数据“显然指向一个封闭的宇宙模型”。他和曼彻斯特大学的埃莉奥诺拉·迪·瓦伦蒂诺（Eleonora di Valentino）、牛津大学的约瑟夫·希尔克（Joseph Silk）共同撰写了这篇论文。他们认为：宇宙微波背景数据表明，宇宙是封闭的；这和其他支撑宇宙平坦论的数据间的不一致，是一种“宇宙危机”，需要“重新思考”。

普朗克卫星的宇宙微波背景图。? ESA /Planck Collaboration

但普朗克望远镜背后的科研团队在2018年的分析中却得出了不同的结论。萨塞克斯大学（University of Sussex）的宇宙学家安东尼·刘易斯（Antony Lewis）表示，宇宙微波背景数据中有些特定特征会被迪·瓦伦蒂诺等人当作封闭宇宙论的论据，这只是单纯的数据意外——这也是最简单的解释。刘易斯和其他专家指出，他们已经仔细研究了这个问题和数据中的有关疑点。

（arxiv.org/abs/1807.06209）

约翰斯·霍普金斯大学的宇宙学家格雷姆·艾迪生（Graeme Addison）并没有参与普朗克的分析和该论文的研究，他表示：“毋庸置疑，这些现象在某种程度上是客观存在的，只是人们在如何解释这些现象上会产生分歧。”

宇宙是平的吗？如果在太空中并排发射两束光，它们是将永远保持平行，还是在封闭的宇宙里最终交叉、回到它们开始的地方？问题的答案在很大程度上取决于宇宙的密度。如果宇宙中所有物质和能量（包括暗物质和暗能量）加起来的密度，刚好能让向外膨胀的能量和向内的引力达到平衡，那宇宙就会在所有方向上平坦延伸。

宇宙的形状很大程度上取决于宇宙的密度。? www.learner.org

宇宙膨胀说是有关宇宙诞生的主流理论，它认为宇宙是平坦的。从21世纪初开始，各种观察结果表明，我们的宇宙几乎是平坦的，它的密度也必然处在这种临界密度范围之内。这个临界密度范围是可以计算得出的，为每立方米空间中约有相当于5.7个氢原子的物质，其中大部分物质都是不可见的。

普朗克望远镜通过测量过去138亿年中宇宙微波背景光穿过宇宙时发生的偏折或是“引力偏折”（gravitationally lensed），来衡量宇宙的密度。宇宙微波背景的这些光子在前往地球的过程中遇到的物质越多，发生的偏折就越多，它们的方向就无法清晰地反映出它们在早期宇宙中的起点。

这种现象表现在数据中，就是一种模糊效果，可以消除光空间模式中的某些波峰和波谷。在新的分析中，宇宙微波背景的大量偏折表明，宇宙的密度可能大概要比临界密度高5％，平均密度约为每立方米6个氢原子，而不是5.7个氢原子。较高的密度会让引力作用占据上风，让宇宙成为一个封闭的整体。

普朗克的科研团队注意到，多年前光线的偏折效应要比之前预期的更大。在去年发布的针对完整数据集的最终分析中，异常现象是最为明显的。如果宇宙是平坦的，考虑到数据的随机统计波动，宇宙学家预计宇宙曲率的测量值将落在0的一个“标准差”范围之内。

但普朗克团队和该论文的作者都发现，宇宙微波背景的数据偏离了足有3.4个标准差。如果宇宙真的是平的，那这就是一次很大的“偶然事件”，大约相当于掷硬币时连续11次正面朝上。这种情况发生的概率还不到1％。普朗克团队将这一测量结果归因于偶然，或者说是归因于某种无法解释的效应，这种效应和额外物质效应（effect of extra matter）一样，模糊了宇宙微波背景光。

也有可能，宇宙真的是封闭的。迪·瓦伦蒂诺等人指出，封闭的宇宙模型可以解释宇宙微波背景中的其他异常发现。例如，研究人员会测量来自天空不同区域的宇宙微波背景光的颜色变化，以此推断宇宙关键成分的数值，如暗物质和暗能量的数值。奇怪的是，当他们用于比较的区域大小发生变化时，他们得到的答案也会发生变化。迪·瓦伦蒂诺等人指出，如果用封闭的宇宙模型重新计算这些数值，它们就不会有什么不同了。

纽约布法罗大学（University at Buffalo）的宇宙学家威尔·金尼（Will Kinney）认为，封闭宇宙模型的这种好处“非常有趣”。但他同时也指出，在宇宙微波背景光中看到的变量大小带来的差异，很可能只是一种统计起伏，或是一种会影响偏折测量的、无法识别的误差。

一张表示宇宙间不同物质能量成分的饼图，大约有96%的能量来自奇异的暗物质和暗能量。? iVoox

宇宙学的标准理论中，有六种关键特性用来描述宇宙，这就是所谓的“ΛCDM”宇宙模型（以暗能量——用希腊字母Λ表示——和冷暗物质命名）。ΛCDM宇宙模型只用6个参数就可以准确描述宇宙的几乎所有特征。根据ΛCDM宇宙模型，宇宙是不存在任何曲率的，宇宙是平坦的。

“重点并非宇宙是封闭的。重点是数据之间的不一致性。”

——罗马第一大学的亚历山德罗·梅尔奇奥里

迪·瓦伦蒂诺等人的论文有理有据地指出，我们可能需要在ΛCDM模型中添加第7个参数，来描述宇宙的曲率。这个参数可以改善光偏折测量中数据的拟合度。

但其他宇宙学家认为，在把这种反常看得过于严重，给ΛCDM模型增加第7个参数之前，我们必须要考虑到ΛCDM模型正确情况下的所有其他情况。当然，我们也可以专注在这一个反常的现象上，就像连续11次掷硬币都正面朝上一样，坚持说这个模型有问题。但宇宙微波背景这个数据集如此庞大，就像掷数百次乃至数千次硬币一样。很难想象，在这样的情况下我们会随机地遇到连续11次正面朝上。物理学家把这种现象称为“别处效应”（“look elsewhere” effect）。

研究人员还指出，大多数其他测量都不需要第7个参数。还有第二种方法，可以通过测量来自天空中四点的光线间的相关性，来收集宇宙微波背景的空间曲率；这种“偏折重建”（lensing reconstruction）的测量也表明宇宙是平坦的，并不需要增加第7个参数。

ΛCDM模型，加速扩张的宇宙。? The Great Courses Plus

重子振动分光镜勘测调查对宇宙信号（即重子声学振荡，baryon acoustic oscillations）的独立观察结果也表明，宇宙是平坦的。普朗克在2018年的分析中将偏折测量结果和其他两个测量结果结合在一起，得出空间曲率的均值为0，标准差为1。

迪·瓦伦蒂诺等人认为，将这三个不同的数据集放在一起会掩盖一个事实，即不同的数据集实际上是不一致的。梅尔奇奥里在邮件中写道：“重点并非宇宙是封闭的。重点是数据之间的不一致性。这表明目前我们的模型与真实宇宙并不完全一致，我们还漏掉了一些东西。”换句话说，ΛCDM模型是错误的，或是不完整的。

本文在创作过程中也咨询了其他的研究人员，他们都认为，有足够的证据表明宇宙是平坦的。艾迪生说，“考虑到其他测量结果，普朗克数据之所以会有这种现象存在，统计起伏是最显而易见的解释。它可能是由普朗克分析中一些不够精确的地方导致的，也可能完全是噪声起伏或是随机偶然事件。但无论是哪一种，我们都没有理由把这种封闭宇宙模型当真。”

但这并不是说，现有的宇宙学宏图中就没有缺失的碎片。ΛCDM模型预测出的宇宙当前膨胀率似乎就是错的，这一点也引发了很大的争议，就是所谓的哈勃常数问题（Hubble constant problem）。但是，宇宙封闭论并不能真正解决这个问题。事实上，增加曲率这个参数只会让膨胀率的预测结果变得更差。除了要否定普朗克的异常偏折测量结果之外，我们也没有理由相信宇宙是封闭的。

金尼表示：“时间会证明一切，但我个人并不为此感到担心。”他并不担心宇宙微波背景数据中曲率的问题。“它和那些被证明毫无意义的反常现象并没有什么不同。”

文/Natalie Wolchover

译/杨睿

校对/兔子的凌波微步

原文/www.quantamagazine.org/what-shape-is-the-universe-closed-or-flat-20191104/

本文基于创作共同协议（BY-NC），由杨睿在利维坦发布
文章仅为作者观点，未必代表利维坦立场
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原文地址：今日头条