我們(men) 都知道，目前解釋宇宙起源最廣泛的理論是大爆炸。而基於(yu) 大爆炸理論，我們(men) 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(ge) 球體(ti) ”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(ge) 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(ge) 球體(ti) ，我們(men) 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(men) 離這個(ge) 目標還有很遠。

當我們(men) 說一個(ge) 物體(ti) 的形狀，是默認在一個(ge) 三維空間模型中進行表述。但又有很多科學家告訴我們(men) ，宇宙遠不止3個(ge) 維度，所以我們(men) 又如何去理解一個(ge) 高於(yu) 三維的空間中的形狀？形狀和維度的數量應該是怎樣的關(guan) 係。如有可能，請指教。

近日，《自然天文學》（Nature Astronomy）雜誌發表了一篇頗具爭(zheng) 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(wei) 宇宙應該是像球體(ti) 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(wei) 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。

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

羅馬第一大學的亞(ya) 曆山德羅·梅爾奇奧裏（Alessandro Melchiorri）指出，這裏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(wei) 宇宙微波背景（CMB, cosmic microwave background）。他認為(wei) 這一數據“顯然指向一個(ge) 封閉的宇宙模型”。他和曼徹斯特大學的埃莉奧諾拉·迪·瓦倫(lun) 蒂諾（Eleonora di Valentino）、牛津大學的約瑟夫·希爾克（Joseph Silk）共同撰寫(xie) 了這篇論文。他們(men) 認為(wei) ：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”。

但普朗克望遠鏡背後的科研團隊在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(dong) 尼·劉易斯（Antony Lewis）表示，宇宙微波背景數據中有些特定特征會(hui) 被迪·瓦倫(lun) 蒂諾等人當作封閉宇宙論的論據，這隻是單純的數據意外——這也是最簡單的解釋。劉易斯和其他專(zhuan) 家指出，他們(men) 已經仔細研究了這個(ge) 問題和數據中的有關(guan) 疑點。

（arxiv.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 Addison）並沒有參與(yu) 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，隻是人們(men) 在如何解釋這些現象上會(hui) 產(chan) 生分歧。”

宇宙是平的嗎？如果在太空中並排發射兩(liang) 束光，它們(men) 是將永遠保持平行，還是在封閉的宇宙裏最終交叉、回到它們(men) 開始的地方？問題的答案在很大程度上取決(jue) 於(yu) 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(nei) 的引力達到平衡，那宇宙就會(hui) 在所有方向上平坦延伸。

宇宙膨脹說是有關(guan) 宇宙誕生的主流理論，它認為(wei) 宇宙是平坦的。從(cong) 21世紀初開始，各種觀察結果表明，我們(men) 的宇宙幾乎是平坦的，它的密度也必然處在這種臨(lin) 界密度範圍之內(nei) 。這個(ge) 臨(lin) 界密度範圍是可以計算得出的，為(wei) 每立方米空間中約有相當於(yu) 5.7個(ge) 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(yi) 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(men) 的方向就無法清晰地反映出它們(men) 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穀。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(lin) 界密度高5％，平均密度約為(wei) 每立方米6個(ge) 氫原子，而不是5.7個(ge) 氫原子。較高的密度會(hui) 讓引力作用占據上風，讓宇宙成為(wei) 一個(ge) 封閉的整體(ti) 。

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(wei) 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(ge) “標準差”範圍之內(nei) 。

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(ge) 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”，大約相當於(yu) 擲硬幣時連續11次正麵朝上。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於(yu) 偶然，或者說是歸因於(yu) 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(lun) 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(hui) 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(guan) 鍵成分的數值，如暗物質和暗能量的數值。奇怪的是，當他們(men) 用於(yu) 比較的區域大小發生變化時，他們(men) 得到的答案也會(hui) 發生變化。迪·瓦倫(lun) 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(men) 就不會(hui) 有什麽(me) 不同了。

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

宇宙學的標準理論中，有六種關(guan) 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宇宙模型隻用6個(ge) 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。

“重點並非宇宙是封閉的。重點是數據之間的不一致性。”

——羅馬第一大學的亞(ya) 曆山德羅·梅爾奇奧裏

迪·瓦倫(lun) 蒂諾等人的論文有理有據地指出，我們(men) 可能需要在ΛCDM模型中添加第7個(ge) 參數，來描述宇宙的曲率。這個(ge) 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(wei) ，在把這種反常看得過於(yu) 嚴(yan) 重，給ΛCDM模型增加第7個(ge) 參數之前，我們(men) 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(men) 也可以專(zhuan) 注在這一個(ge) 反常的現象上，就像連續11次擲硬幣都正麵朝上一樣，堅持說這個(ge) 模型有問題。但宇宙微波背景這個(ge) 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(men) 會(hui) 隨機地遇到連續11次正麵朝上。物理學家把這種現象稱為(wei) “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(ge) 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(guan) 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，並不需要增加第7個(ge) 參數。

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(liang) 個(ge) 測量結果結合在一起，得出空間曲率的均值為(wei) 0，標準差為(wei) 1。

迪·瓦倫(lun) 蒂諾等人認為(wei) ，將這三個(ge) 不同的數據集放在一起會(hui) 掩蓋一個(ge) 事實，即不同的數據集實際上是不一致的。梅爾奇奧裏在郵件中寫(xie) 道：“重點並非宇宙是封閉的。重點是數據之間的不一致性。這表明目前我們(men) 的模型與(yu) 真實宇宙並不完全一致，我們(men) 還漏掉了一些東(dong) 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谘詢了其他的研究人員，他們(men) 都認為(wei) ，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(hui) 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(men) 都沒有理由把這種封閉宇宙模型當真。”

但這並不是說，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(zheng) 議，就是所謂的哈勃常數問題（Hubble constant problem）。但是，宇宙封閉論並不能真正解決(jue) 這個(ge) 問題。事實上，增加曲率這個(ge) 參數隻會(hui) 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(men) 也沒有理由相信宇宙是封閉的。

金尼表示：“時間會(hui) 證明一切，但我個(ge) 人並不為(wei) 此感到擔心。”他並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(yi) 的反常現象並沒有什麽(me) 不同。”

文/Natalie Wolchover

譯/楊睿

校對/兔子的淩波微步

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


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