1.

從地球出發前往太空，如果旅行的足夠遙遠，你有可能會回到出發點嗎？如果宇宙的形狀是球形而非平坦的，那麼終有一天你會繞回到地球。

在一項發表於《自然天文學》雜誌上的最新論文中，研究人員重新分析了普朗克太空望遠鏡觀測到的宇宙微波背景（CMB）的資料，發現他們的結果支援“宇宙是閉合”的觀點。但這一結果並沒能說服眾人。

○ 發表在《自然天文學》上的新論文。三名研究人員認為，從CMB資料得出的“閉合宇宙”和其他資料所指向的“平坦宇宙”之間的不一致，預示著宇宙學或許面臨著危機。| 圖片來源：Nature

2.

宇宙是否是平坦的？如果在空間中並排發射兩束鐳射，它們會永遠保持平行，那麼這就是一個平坦的宇宙。但如果是在一個閉合的宇宙中，兩束光最終會交叉並繞回到原點。

○ 宇宙的臨界密度（ρ）與哈勃常數（H₀）的平方成正比。哈勃常數的值決定了宇宙的膨脹率和年齡。

根據愛因斯坦的廣義相對論，空間本身是可以被品質彎曲的。因此，想要知道宇宙的形狀，關鍵在於測量它的密度。科學家會通過比較宇宙的“臨界密度”與實際密度，來推斷宇宙的形狀：

○ 閉合（左）、開放（中）、平坦（右）。

在宇宙在誕生後，它經歷一段指數式的膨脹，描述這一物理過程的理論被稱為暴脹理論。眾所周知，暴脹理論自然而然的便預言了宇宙是平坦的。而且，自21世紀初以來的各種天文觀測均表明，我們的宇宙幾乎是平坦的，因此實際密度必須接近宇宙的臨界密度——計算表明，應該是每立方米的空間中含有大約5.7個氫原子。

3.

普朗克望遠鏡是通過測量在過去的138億年裡，當CMB的光穿過宇宙時被偏折的程度（引力透鏡效應）來測量宇宙的密度。這些CMB光子在前往地球的途中遇到的物質越多，就越會受到偏折，因此它們的方向不再能清晰地反映它們在早期宇宙中的起點。這在資料中表現為一種模糊效果，它平滑了光的空間模式中的某些峰值和低谷。根據對CMB的最新的分析顯示，宇宙的實際密度可能比臨界密度大5%，平均每立方米中有6個氫原子，因此引力佔據上風，形成閉合的宇宙。

○ 在宇宙誕生的38萬年後，形成了宇宙微波背景，這是宇宙中最古老的光。普朗克太空望遠鏡通過對宇宙微波背景的測量，可以推測出宇宙的形狀。

普朗克團隊的科學家在幾年前就注意到了比預期中更大的透鏡效應，這一異常現象在他們去年釋出的完整資料集的最終分析中表現得最為明顯。如果宇宙是平坦的，宇宙學家預計由資料的隨機統計起伏而產生的曲率測量應該落在數值為0的一個“標準差”之內。但無論是普朗克小組還是這篇新論文的作者都發現，CMB的資料偏差為3.4個標準差。

假設宇宙真的是平坦的，那麼這是一個巨大的統計學僥倖——它相當於連續擲硬幣11次，得到的全部都是硬幣的正面朝上，而這種事件的發生概率不到1%。普朗克小組將這一結果歸因於統計學僥倖，或者是受到了某種無法解釋效應的影響從而模糊了CMB的光，表現出類似於受到了額外物質的影響。

又或許，宇宙真的是閉合的？新論文的作者認為，閉合模型可以解決CMB中的一些其他的反常發現。例如，研究人員通過測量來自天空不同區域的CMB的光的顏色變化，推斷出宇宙中的暗物質和暗能量等關鍵組成部分的值。但奇怪的是，當他們比較的是天空的小區域，得到的答案與當他們比較的是大區域的結果是不同的。而作者發現，如果假設宇宙是閉合的，再重新進行這些計算，結果就沒有區別。

4.

根據宇宙學的標準理論，有6個關鍵的屬性塑造了我們的宇宙，這個理論也被稱為ΛCDM（希臘字母Λ代表暗能量，CDM表示冷暗物質）。只用6個數字，ΛCDM就能準確地描述宇宙的幾乎所有特點。ΛCDM預測宇宙沒有任何曲率，它認為宇宙是平坦的。

而新論文中的內容意味著我們可能需要在ΛCDM中新增第7個引數來用以描述宇宙的曲率。對於透鏡測量來說，增加第7個引數能改善與資料的擬合程度。

但其他宇宙學家認為，在真正新增這舉足輕重的第7個引數之前，我們必須確定ΛCDM中的其他問題都是正確的。他們認為，如果只關注這樣一個異常情況然後就說ΛCDM出了問題，是不夠的嚴謹的。因為CMB是如此龐大的資料集，它不是拋擲一枚硬幣11次，而更像是拋擲一枚硬幣成百上千次。

此外，其他研究人員還強調，多數測量並不需要第7個引數。另外，還有一種從CMB中獲取空間曲率的方法，那就是通過測量來自天空中四個不同的點的光線之間的相關性；這種“透鏡重構”測量表明宇宙是平坦的，它也不需要第7個引數。而且重子振盪光譜巡天（BOSS）對重子聲學振盪的獨立觀測也表明了宇宙的平坦性。2018年的普朗克分析將他們的透鏡測量與另外兩項測量結合起來，得出了空間曲率的整體值在一個標準偏差為零的範圍內。

論文的作者認為，將這三種不同的資料放在一起，會掩蓋不同資料集實際上並不一致的事實。他們表示，問題的重點並不在於宇宙是閉合的，而是在於資料之間的不一致性。這表明，我們目前缺乏一個一致性模型，換句話說，ΛCDM可能是錯誤的，或者至少是不完備的。

5.

對於這篇論文，幾乎所有宇宙學家都認為根據所有的觀測證據來看，宇宙應該就是平坦的。他們傾向於相信這次的例外只是一種統計起伏，可能是普朗克分析中出現的某些微小的誤差所造成的結果，也可能完全就是噪音波動或隨機性造成的結果。他們堅信，無論哪種情況，都沒有必要就此認為宇宙是閉合的。

即便如此，這並不是說目前的宇宙圖景中沒有缺失的部分。例如，ΛCDM似乎沒有準確地預測出宇宙的膨脹速度，導致了對哈勃常數的值究竟是多少的爭論。但是將宇宙視為閉合並不能解決這個問題——事實上，增加曲率會使膨脹率的預測變得更糟。除了普朗克反常的透鏡測量之外，還沒有其他證據支援宇宙是閉合的。

但是，我們不能完全否認某一方。現在的情況是既然出現了差異，我們就必須找到導致這一差異的原因。我們也需要讓更多的資料告訴我們更多的資訊。

https://www.nature.com/articles/s41550-019-0906-9

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