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利維坦按

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，我們很容易根據思維的慣性去想當然地推測宇宙的形狀，得出“宇宙是一個球體”的結論——宇宙似乎沒有任何理由去表現出某種非對稱性。

這是每一個正在探尋客觀真相的思索者都極力繞開的“邏輯舒適區“。即便宇宙真是一個球體，我們也需要用足夠的證據來證明這一結論，而非想當然。就目前而言，我們離這個目標還有很遠。

當我們說一個物體的形狀，是默認在一個三維空間模型中進行表述。但又有很多科學家告訴我們，宇宙遠不止3個維度，所以我們又如何去理解一個高于三維的空間中的形狀？形狀和維度的數量應該是怎樣的關系。如有可能，請指教。

如上圖左邊所示，如果是在平坦的宇宙中，一條直線將延伸到無窮遠；而圖片右邊的封閉宇宙則像球體一樣，表面是曲面。在封閉宇宙中，一條直線最終會回到自己的起點。? Lucy Reading-Ikkanda

近日，《自然天文學》（ Nature Astronomy ）雜志發表了一篇頗具爭議的論文。 論文質疑了宇宙學標準理論預測的“宇宙是平的”，認為宇宙應該是像球體一樣，是彎曲、閉合的。論文作者重新分析了主要的宇宙學數據集，認為這一數據支撐封閉宇宙論的確定性足有99％——哪怕仍有其他證據可以表明宇宙是平坦的。

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

普朗克衛星的宇宙微波背景圖。? ESA /Planck Collaboration

但普朗克望遠鏡背后的科研團隊在2018年的分析中卻得出了不同的結論。薩塞克斯大學（University of Sussex）的宇宙學家安東尼·劉易斯（Antony Lewis）表示， 宇宙微波背景數據中有些特定特征會被迪·瓦倫蒂諾等人當作封閉宇宙論的論據，這只是單純的數據意外——這也是最簡單的解釋。劉易斯和其他專家指出，他們已經仔細研究了這個問題和數據中的有關疑點。

（ar xiv.org/abs/ 1807.06209）

約翰斯·霍普金斯大學的宇宙學家格雷姆·艾迪生（Graeme A ddison）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象上會產生分歧。”

宇宙是平的嗎？如果在太空中并排發射兩束光，它們是將永遠保持平行，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和能量（包括暗物質和暗能量）加起來的密度，剛好能讓向外膨脹的能量和向內的引力達到平衡，那宇宙就會在所有方向上平坦延伸。

宇宙的形狀很大程度上取決于宇宙的密度。? www.learner.org

宇宙膨脹說是有關宇宙誕生的主流理論，它認為宇宙是平坦的。從21世紀初開始，各種觀察結果表明，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。這個臨界密度范圍是可以計算得出的，為每立方米空間中約有相當于5.7個氫原子的物質，其中大部分物質都是不可見的。

普朗克望遠鏡通過測量過去 138億年中宇宙微波背景光穿過宇宙時發生的偏折或是“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越多，發生的偏折就越多，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。

這種現象表現在數據中，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個氫原子，而不是5.7個氫原子。較高的密度會讓引力作用占據上風，讓宇宙成為一個封閉的整體。

普朗克的科研團隊注意到，多年前光線的偏折效應要比之前預期的更大。在去年發布的針對完整數據集的最終分析中，異常現象是最為明顯的。如果宇宙是平坦的，考慮到數據的隨機統計波動，宇宙學家預計宇宙曲率的測量值將落在0的一個“標準差”范圍之內。

但普朗克團隊和該論文的作者都發現，宇宙微波背景的數據偏離了足有3.4個標準差。 如果宇宙真的是平的，那這就是一次很大的“偶然事件”，大約相當于擲硬幣時連續11次正面朝上。這種情況發生的概率還不到1％。普朗克團隊將這一測量結果歸因于偶然，或者說是歸因于某種無法解釋的效應，這種效應和額外物質效應（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現。例如，研究人員會測量來自天空不同區域的宇宙微波背景光的顏色變化，以此推斷宇宙關鍵成分的數值，如暗物質和暗能量的數值。奇怪的是，當他們用于比較的區域大小發生變化時，他們得到的答案也會發生變化。迪·瓦倫蒂諾等人指出，如果用封閉的宇宙模型重新計算這些數值，它們就不會有什么不同了。

一張表示宇宙間不同物質能量成分的餅圖，大約有96%的能量來自奇異的暗物質和暗能量。? iVoox

宇宙學的標準理論中，有六種關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——和冷暗物質命名）。ΛCDM宇宙模型只用6個參數就可以準確描述宇宙的幾乎所有特征。 根據ΛCDM宇宙模型，宇宙是不存在任何曲率的，宇宙是平坦的。

“重點并非宇宙是封閉的。 重點是數據之間的不一致性。 ”

——羅馬第一大學的亞歷山德羅·梅爾奇奧里

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

但其他宇宙學家認為，在把這種反常看得過于嚴重，給ΛCDM模型增加第7個參數之前，我們必須要考慮到ΛCDM模型正確情況下的所有其他情況。當然，我們也可以專注在這一個反常的現象上，就像連續11次擲硬幣都正面朝上一樣，堅持說這個模型有問題。 但宇宙微波背景這個數據集如此龐大，就像擲數百次乃至數千次硬幣一樣。很難想象，在這樣的情況下我們會隨機地遇到連續11次正面朝上。物理學家把這種現象稱為“別處效應”（“look elsewhere” effect）。

研究人員還指出，大多數其他測量都不需要第7個參數。還有第二種方法，可以通過測量來自天空中四點的光線間的相關性，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個參數。

ΛCDM模型，加速擴張的宇宙。? The Great Courses Plus

重子振動分光鏡勘測調查對宇宙信號（即重子聲學振蕩，baryon acoustic oscillations）的獨立觀察結果也表明，宇宙是平坦的。普朗克在2018年的分析中將偏折測量結果和其他兩個測量結果結合在一起，得出空間曲率的均值為0，標準差為1。

迪·瓦倫蒂諾等人認為，將這三個不同的數據集放在一起會掩蓋一個事實，即不同的數據集實際上是不一致的。梅爾奇奧里在郵件中寫道：“ 重點并非宇宙是封閉的。重點是數據之間的不一致性。這表明目前我們的模型與真實宇宙并不完全一致，我們還漏掉了一些東西。”換句話說，ΛCDM模型是錯誤的，或是不完整的。

本文在創作過程中也咨詢了其他的研究人員，他們都認為，有足夠的證據表明宇宙是平坦的。艾迪生說，“考慮到其他測量結果，普朗克數據之所以會有這種現象存在，統計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致的，也可能完全是噪聲起伏或是隨機偶然事件。但無論是哪一種，我們都沒有理由把這種封閉宇宙模型當真。”

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

金尼表示：“時間會證明一切，但我個人并不為此感到擔心。”他并不擔心宇宙微波背景數據中曲率的問題。“它和那些被證明毫無意義的反常現象并沒有什么不同。”

文/Natalie Wolchover

譯/楊睿

校對/兔子的凌波微步

本文基于創作共同協議（BY-NC），由楊睿在利維坦發布

文章僅為作者觀點，未必代表利維坦立場

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