新研究引发大辩论：宇宙究竟是什么形状的？

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原理
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1.
从地球出发前往太空，如果旅行的足够遥远，你有可能会回到出发点吗？如果宇宙的形状是球形而非平坦的，那么终有一天你会绕回到地球。
在一项发表于《自然天文学》杂志上的最新论文中，研究人员重新分析了普朗克太空望远镜观测到的宇宙微波背景（CMB）的数据，发现他们的结果支持“宇宙是闭合”的观点。但这一结果并没能说服众人。

                               
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○ 发表在《自然天文学》上的新论文。三名研究人员认为，从CMB数据得出的“闭合宇宙”和其他数据所指向的“平坦宇宙”之间的不一致，

预示着宇宙学或许面临着危机。| 图片来源：Nature

2.
宇宙是否是平坦的？如果在空间中并排发射两束激光，它们会永远保持平行，那么这就是一个平坦的宇宙。但如果是在一个闭合的宇宙中，两束光最终会交叉并绕回到原点。

                               
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○宇宙的临界密度（ρ）与哈勃常数（H₀）的平方成正比。哈勃常数的值决定了宇宙的膨胀率和年龄。

根据爱因斯坦的广义相对论，空间本身是可以被质量弯曲的。因此，想要知道宇宙的形状，关键在于测量它的密度。科学家会通过比较宇宙的“临界密度”与实际密度，来推断宇宙的形状：

• 如果宇宙的实际密度大于临界密度，它就包含足够多的质量来最终阻止膨胀。那么这就是一个闭合的宇宙，有一个球形的形状。
• 如果宇宙的实际密度小于临界密度，就意味着宇宙中没有足够的物质来阻止宇宙的膨胀，宇宙会永远膨胀下去。这就是所谓的开放宇宙，其形状会像马鞍的表面一样弯曲。
• 但如果宇宙恰好包含了足够的质量使膨胀停止，它的实际密度将等于临界密度。这种情况下，宇宙被认为是平坦的。
  
  

                               
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○闭合（左）、开放（中）、平坦（右）。

在宇宙在诞生后，它经历一段指数式的膨胀，描述这一物理过程的理论被称为暴胀理论。众所周知，暴胀理论自然而然的便预言了宇宙是平坦的。而且，自21世纪初以来的各种天文观测均表明，我们的宇宙几乎是平坦的，因此实际密度必须接近宇宙的临界密度——计算表明，应该是每立方米的空间中含有大约5.7个氢原子。

3.

普朗克望远镜是通过测量在过去的138亿年里，当CMB的光穿过宇宙时被偏折的程度（引力透镜效应）来测量宇宙的密度。这些CMB光子在前往地球的途中遇到的物质越多，就越会受到偏折，因此它们的方向不再能清晰地反映它们在早期宇宙中的起点。这在数据中表现为一种模糊效果，它平滑了光的空间模式中的某些峰值和低谷。根据对CMB的最新的分析显示，宇宙的实际密度可能比临界密度大5%，平均每立方米中有6个氢原子，因此引力占据上风，形成闭合的宇宙。

                               
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○ 在宇宙诞生的38万年后，形成了宇宙微波背景，这是宇宙中最古老的光。普朗克太空望远镜通过对宇宙微波背景的测量，可以推测出宇宙的形状。

普朗克团队的科学家在几年前就注意到了比预期中更大的透镜效应，这一异常现象在他们去年发布的完整数据集的最终分析中表现得最为明显。如果宇宙是平坦的，宇宙学家预计由数据的随机统计起伏而产生的曲率测量应该落在数值为0的一个“标准差”之内。但无论是普朗克小组还是这篇新论文的作者都发现，CMB的数据偏差为3.4个标准差。
假设宇宙真的是平坦的，那么这是一个巨大的统计学侥幸——它相当于连续掷硬币11次，得到的全部都是硬币的正面朝上，而这种事件的发生概率不到1%。普朗克小组将这一结果归因于统计学侥幸，或者是受到了某种无法解释效应的影响从而模糊了CMB的光，表现出类似于受到了额外物质的影响。
又或许，宇宙真的是闭合的？新论文的作者认为，闭合模型可以解决CMB中的一些其他的反常发现。例如，研究人员通过测量来自天空不同区域的CMB的光的颜色变化，推断出宇宙中的暗物质和暗能量等关键组成部分的值。但奇怪的是，当他们比较的是天空的小区域，得到的答案与当他们比较的是大区域的结果是不同的。而作者发现，如果假设宇宙是闭合的，再重新进行这些计算，结果就没有区别。


4.
根据宇宙学的标准理论，有6个关键的属性塑造了我们的宇宙，这个理论也被称为ΛCDM（希腊字母Λ代表暗能量，CDM表示冷暗物质）。只用6个数字，ΛCDM就能准确地描述宇宙的几乎所有特点。ΛCDM预测宇宙没有任何曲率，它认为宇宙是平坦的。
而新论文中的内容意味着我们可能需要在ΛCDM中添加第7个参数来用以描述宇宙的曲率。对于透镜测量来说，增加第7个参数能改善与数据的拟合程度。   
但其他宇宙学家认为，在真正添加这举足轻重的第7个参数之前，我们必须确定ΛCDM中的其他问题都是正确的。他们认为，如果只关注这样一个异常情况然后就说ΛCDM出了问题，是不够的严谨的。因为CMB是如此庞大的数据集，它不是抛掷一枚硬币11次，而更像是抛掷一枚硬币成百上千次。
此外，其他研究人员还强调，多数测量并不需要第7个参数。另外，还有一种从CMB中获取空间曲率的方法，那就是通过测量来自天空中四个不同的点的光线之间的相关性；这种“透镜重构”测量表明宇宙是平坦的，它也不需要第7个参数。而且重子振荡光谱巡天（BOSS）对重子声学振荡的独立观测也表明了宇宙的平坦性。2018年的普朗克分析将他们的透镜测量与另外两项测量结合起来，得出了空间曲率的整体值在一个标准偏差为零的范围内。
论文的作者认为，将这三种不同的数据放在一起，会掩盖不同数据集实际上并不一致的事实。他们表示，问题的重点并不在于宇宙是闭合的，而是在于数据之间的不一致性。这表明，我们目前缺乏一个一致性模型，换句话说，ΛCDM可能是错误的，或者至少是不完备的。


5.
对于这篇论文，几乎所有宇宙学家都认为根据所有的观测证据来看，宇宙应该就是平坦的。他们倾向于相信这次的例外只是一种统计起伏，可能是普朗克分析中出现的某些微小的误差所造成的结果，也可能完全就是噪音波动或随机性造成的结果。他们坚信，无论哪种情况，都没有必要就此认为宇宙是闭合的。
即便如此，这并不是说目前的宇宙图景中没有缺失的部分。例如，ΛCDM似乎没有准确地预测出宇宙的膨胀速度，导致了对哈勃常数的值究竟是多少的争论。但是将宇宙视为闭合并不能解决这个问题——事实上，增加曲率会使膨胀率的预测变得更糟。除了普朗克反常的透镜测量之外，还没有其他证据支持宇宙是闭合的。
但是，我们不能完全否认某一方。现在的情况是既然出现了差异，我们就必须找到导致这一差异的原因。我们也需要让更多的数据告诉我们更多的信息。

参考来源：https://www.nature.com/articles/s41550-019-0906-9https://www.quantamagazine.org/what-shape-is-the-universe-closed-or-flat-20191104/