我們都知道，目前解釋宇宙起源最廣泛的理論是大爆炸。而基于大爆炸理論，我們很容易根據(jù)思維的慣性去想當(dāng)然地推測宇宙的形狀，得出“宇宙是一個(gè)球體”的結(jié)論——宇宙似乎沒有任何理由去表現(xiàn)出某種非對稱性。

這是每一個(gè)正在探尋客觀真相的思索者都極力繞開的“邏輯舒適區(qū)“。即便宇宙真是一個(gè)球體，我們也需要用足夠的證據(jù)來證明這一結(jié)論，而非想當(dāng)然。就目前而言，我們離這個(gè)目標(biāo)還有很遠(yuǎn)。

當(dāng)我們說一個(gè)物體的形狀，是默認(rèn)在一個(gè)三維空間模型中進(jìn)行表述。但又有很多科學(xué)家告訴我們，宇宙遠(yuǎn)不止3個(gè)維度，所以我們又如何去理解一個(gè)高于三維的空間中的形狀？形狀和維度的數(shù)量應(yīng)該是怎樣的關(guān)系。如有可能，請指教。

近日，《自然天文學(xué)》（Nature Astronomy）雜志發(fā)表了一篇頗具爭議的論文。論文質(zhì)疑了宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)理論預(yù)測的“宇宙是平的”，認(rèn)為宇宙應(yīng)該是像球體一樣，是彎曲、閉合的。論文作者重新分析了主要的宇宙學(xué)數(shù)據(jù)集，認(rèn)為這一數(shù)據(jù)支撐封閉宇宙論的確定性足有99％——哪怕仍有其他證據(jù)可以表明宇宙是平坦的。

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

羅馬第一大學(xué)的亞歷山德羅·梅爾奇奧里（Alessandro Melchiorri）指出，這里所提到的數(shù)據(jù)是普朗克太空望遠(yuǎn)鏡對古代光的觀測結(jié)果，被稱為宇宙微波背景（CMB, cosmic microwave background）。他認(rèn)為這一數(shù)據(jù)“顯然指向一個(gè)封閉的宇宙模型”。他和曼徹斯特大學(xué)的埃莉奧諾拉·迪·瓦倫蒂諾（Eleonora di Valentino）、牛津大學(xué)的約瑟夫·希爾克（Joseph Silk）共同撰寫了這篇論文。他們認(rèn)為：宇宙微波背景數(shù)據(jù)表明，宇宙是封閉的；這和其他支撐宇宙平坦論的數(shù)據(jù)間的不一致，是一種“宇宙危機(jī)”，需要“重新思考”。

但普朗克望遠(yuǎn)鏡背后的科研團(tuán)隊(duì)在2018年的分析中卻得出了不同的結(jié)論。薩塞克斯大學(xué)（University of Sussex）的宇宙學(xué)家安東尼·劉易斯（Antony Lewis）表示，宇宙微波背景數(shù)據(jù)中有些特定特征會被迪·瓦倫蒂諾等人當(dāng)作封閉宇宙論的論據(jù)，這只是單純的數(shù)據(jù)意外——這也是最簡單的解釋。劉易斯和其他專家指出，他們已經(jīng)仔細(xì)研究了這個(gè)問題和數(shù)據(jù)中的有關(guān)疑點(diǎn)。

（arxiv.org/abs/1807.06209）

約翰斯·霍普金斯大學(xué)的宇宙學(xué)家格雷姆·艾迪生（Graeme Addison）并沒有參與普朗克的分析和該論文的研究，他表示：“毋庸置疑，這些現(xiàn)象在某種程度上是客觀存在的，只是人們在如何解釋這些現(xiàn)象上會產(chǎn)生分歧?！?/p>

宇宙是平的嗎？如果在太空中并排發(fā)射兩束光，它們是將永遠(yuǎn)保持平行，還是在封閉的宇宙里最終交叉、回到它們開始的地方？問題的答案在很大程度上取決于宇宙的密度。如果宇宙中所有物質(zhì)和能量（包括暗物質(zhì)和暗能量）加起來的密度，剛好能讓向外膨脹的能量和向內(nèi)的引力達(dá)到平衡，那宇宙就會在所有方向上平坦延伸。

宇宙膨脹說是有關(guān)宇宙誕生的主流理論，它認(rèn)為宇宙是平坦的。從21世紀(jì)初開始，各種觀察結(jié)果表明，我們的宇宙幾乎是平坦的，它的密度也必然處在這種臨界密度范圍之內(nèi)。這個(gè)臨界密度范圍是可以計(jì)算得出的，為每立方米空間中約有相當(dāng)于5.7個(gè)氫原子的物質(zhì)，其中大部分物質(zhì)都是不可見的。

普朗克望遠(yuǎn)鏡通過測量過去138億年中宇宙微波背景光穿過宇宙時(shí)發(fā)生的偏折或是“引力偏折”（gravitationally lensed），來衡量宇宙的密度。宇宙微波背景的這些光子在前往地球的過程中遇到的物質(zhì)越多，發(fā)生的偏折就越多，它們的方向就無法清晰地反映出它們在早期宇宙中的起點(diǎn)。

這種現(xiàn)象表現(xiàn)在數(shù)據(jù)中，就是一種模糊效果，可以消除光空間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臨界密度高5％，平均密度約為每立方米6個(gè)氫原子，而不是5.7個(gè)氫原子。較高的密度會讓引力作用占據(jù)上風(fēng)，讓宇宙成為一個(gè)封閉的整體。

普朗克的科研團(tuán)隊(duì)注意到，多年前光線的偏折效應(yīng)要比之前預(yù)期的更大。在去年發(fā)布的針對完整數(shù)據(jù)集的最終分析中，異?，F(xiàn)象是最為明顯的。如果宇宙是平坦的，考慮到數(shù)據(jù)的隨機(jī)統(tǒng)計(jì)波動(dòng)，宇宙學(xué)家預(yù)計(jì)宇宙曲率的測量值將落在0的一個(gè)“標(biāo)準(zhǔn)差”范圍之內(nèi)。

但普朗克團(tuán)隊(duì)和該論文的作者都發(fā)現(xiàn)，宇宙微波背景的數(shù)據(jù)偏離了足有3.4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差。如果宇宙真的是平的，那這就是一次很大的“偶然事件”，大約相當(dāng)于擲硬幣時(shí)連續(xù)11次正面朝上。這種情況發(fā)生的概率還不到1％。普朗克團(tuán)隊(duì)將這一測量結(jié)果歸因于偶然，或者說是歸因于某種無法解釋的效應(yīng)，這種效應(yīng)和額外物質(zhì)效應(yīng)（effect of extra matter）一樣，模糊了宇宙微波背景光。

也有可能，宇宙真的是封閉的。迪·瓦倫蒂諾等人指出，封閉的宇宙模型可以解釋宇宙微波背景中的其他異常發(fā)現(xiàn)。例如，研究人員會測量來自天空不同區(qū)域的宇宙微波背景光的顏色變化，以此推斷宇宙關(guān)鍵成分的數(shù)值，如暗物質(zhì)和暗能量的數(shù)值。奇怪的是，當(dāng)他們用于比較的區(qū)域大小發(fā)生變化時(shí)，他們得到的答案也會發(fā)生變化。迪·瓦倫蒂諾等人指出，如果用封閉的宇宙模型重新計(jì)算這些數(shù)值，它們就不會有什么不同了。

紐約布法羅大學(xué)（University at Buffalo）的宇宙學(xué)家威爾·金尼（Will Kinney）認(rèn)為，封閉宇宙模型的這種好處“非常有趣”。但他同時(shí)也指出，在宇宙微波背景光中看到的變量大小帶來的差異，很可能只是一種統(tǒng)計(jì)起伏，或是一種會影響偏折測量的、無法識別的誤差。

宇宙學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)理論中，有六種關(guān)鍵特性用來描述宇宙，這就是所謂的“ΛCDM”宇宙模型（以暗能量——用希臘字母Λ表示——和冷暗物質(zhì)命名）。ΛCDM宇宙模型只用6個(gè)參數(shù)就可以準(zhǔn)確描述宇宙的幾乎所有特征。根據(jù)ΛCDM宇宙模型，宇宙是不存在任何曲率的，宇宙是平坦的。

“重點(diǎn)并非宇宙是封閉的。重點(diǎn)是數(shù)據(jù)之間的不一致性?！?/p>

——羅馬第一大學(xué)的亞歷山德羅·梅爾奇奧里

迪·瓦倫蒂諾等人的論文有理有據(jù)地指出，我們可能需要在ΛCDM模型中添加第7個(gè)參數(shù)，來描述宇宙的曲率。這個(gè)參數(shù)可以改善光偏折測量中數(shù)據(jù)的擬合度。

但其他宇宙學(xué)家認(rèn)為，在把這種反常看得過于嚴(yán)重，給ΛCDM模型增加第7個(gè)參數(shù)之前，我們必須要考慮到ΛCDM模型正確情況下的所有其他情況。當(dāng)然，我們也可以專注在這一個(gè)反常的現(xiàn)象上，就像連續(xù)11次擲硬幣都正面朝上一樣，堅(jiān)持說這個(gè)模型有問題。但宇宙微波背景這個(gè)數(shù)據(jù)集如此龐大，就像擲數(shù)百次乃至數(shù)千次硬幣一樣。很難想象，在這樣的情況下我們會隨機(jī)地遇到連續(xù)11次正面朝上。物理學(xué)家把這種現(xiàn)象稱為“別處效應(yīng)”（“l(fā)ook elsewhere” effect）。

研究人員還指出，大多數(shù)其他測量都不需要第7個(gè)參數(shù)。還有第二種方法，可以通過測量來自天空中四點(diǎn)的光線間的相關(guān)性，來收集宇宙微波背景的空間曲率；這種“偏折重建”（lensing reconstruction）的測量也表明宇宙是平坦的，并不需要增加第7個(gè)參數(shù)。

重子振動(dòng)分光鏡勘測調(diào)查對宇宙信號（即重子聲學(xué)振蕩，baryon acoustic oscillations）的獨(dú)立觀察結(jié)果也表明，宇宙是平坦的。普朗克在2018年的分析中將偏折測量結(jié)果和其他兩個(gè)測量結(jié)果結(jié)合在一起，得出空間曲率的均值為0，標(biāo)準(zhǔn)差為1。

迪·瓦倫蒂諾等人認(rèn)為，將這三個(gè)不同的數(shù)據(jù)集放在一起會掩蓋一個(gè)事實(shí)，即不同的數(shù)據(jù)集實(shí)際上是不一致的。梅爾奇奧里在郵件中寫道：“重點(diǎn)并非宇宙是封閉的。重點(diǎn)是數(shù)據(jù)之間的不一致性。這表明目前我們的模型與真實(shí)宇宙并不完全一致，我們還漏掉了一些東西?！睋Q句話說，ΛCDM模型是錯(cuò)誤的，或是不完整的。

本文在創(chuàng)作過程中也咨詢了其他的研究人員，他們都認(rèn)為，有足夠的證據(jù)表明宇宙是平坦的。艾迪生說，“考慮到其他測量結(jié)果，普朗克數(shù)據(jù)之所以會有這種現(xiàn)象存在，統(tǒng)計(jì)起伏是最顯而易見的解釋。它可能是由普朗克分析中一些不夠精確的地方導(dǎo)致的，也可能完全是噪聲起伏或是隨機(jī)偶然事件。但無論是哪一種，我們都沒有理由把這種封閉宇宙模型當(dāng)真?！?/p>

但這并不是說，現(xiàn)有的宇宙學(xué)宏圖中就沒有缺失的碎片。ΛCDM模型預(yù)測出的宇宙當(dāng)前膨脹率似乎就是錯(cuò)的，這一點(diǎn)也引發(fā)了很大的爭議，就是所謂的哈勃常數(shù)問題（Hubble constant problem）。但是，宇宙封閉論并不能真正解決這個(gè)問題。事實(shí)上，增加曲率這個(gè)參數(shù)只會讓膨脹率的預(yù)測結(jié)果變得更差。除了要否定普朗克的異常偏折測量結(jié)果之外，我們也沒有理由相信宇宙是封閉的。

金尼表示：“時(shí)間會證明一切，但我個(gè)人并不為此感到擔(dān)心?！彼⒉粨?dān)心宇宙微波背景數(shù)據(jù)中曲率的問題?！八湍切┍蛔C明毫無意義的反常現(xiàn)象并沒有什么不同?！?/p>

文/Natalie Wolchover

譯/楊睿

校對/兔子的凌波微步

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


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