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宇宙到底是圆的还是扁的?

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© Forbes



利维坦按




我们都知道,目前解释宇宙起源最广泛的理论是大爆炸。而基于大爆炸理论,我们很容易根据思维的惯性去想当然地推测宇宙的形状,得出“宇宙是一个球体”的结论——宇宙似乎没有任何理由去表现出某种非对称性。


这是每一个正在探寻客观真相的思索者都极力绕开的“逻辑舒适区“。即便宇宙真是一个球体,我们也需要用足够的证据来证明这一结论,而非想当然。就目前而言,我们离这个目标还有很远。


当我们说一个物体的形状,是默认在一个三维空间模型中进行表述。但又有很多科学家告诉我们,宇宙远不止3个维度,所以我们又如何去理解一个高于三维的空间中的形状?形状和维度的数量应该是怎样的关系。如有可能,请指教。





如上图左边所示,如果是在平坦的宇宙中,一条直线将延伸到无穷远;而图片右边的封闭宇宙则像球体一样,表面是曲面。在封闭宇宙中,一条直线最终会回到自己的起点。© Lucy Reading-Ikkanda


近日,《自然天文学》(Nature Astronomy)杂志发表了一篇颇具争议的论文。论文质疑了宇宙学标准理论预测的“宇宙是平的”,认为宇宙应该是像球体一样,是弯曲、闭合的。论文作者重新分析了主要的宇宙学数据集,认为这一数据支撑封闭宇宙论的确定性足有99%——哪怕仍有其他证据可以表明宇宙是平坦的。

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


罗马第一大学的亚历山德罗·梅尔奇奥里(Alessandro Melchiorri)指出,这里所提到的数据是普朗克太空望远镜对古代光的观测结果,被称为宇宙微波背景(CMB, cosmic microwave background)。他认为这一数据“显然指向一个封闭的宇宙模型”。他和曼彻斯特大学的埃莉奥诺拉·迪·瓦伦蒂诺(Eleonora di Valentino)、牛津大学的约瑟夫·希尔克(Joseph Silk)共同撰写了这篇论文。他们认为:宇宙微波背景数据表明,宇宙是封闭的;这和其他支撑宇宙平坦论的数据间的不一致,是一种“宇宙危机”,需要“重新思考”。


普朗克卫星的宇宙微波背景图。© ESA /Planck Collaboration


但普朗克望远镜背后的科研团队在2018年的分析中却得出了不同的结论。萨塞克斯大学(University of Sussex)的宇宙学家安东尼·刘易斯(Antony Lewis)表示,宇宙微波背景数据中有些特定特征会被迪·瓦伦蒂诺等人当作封闭宇宙论的论据,这只是单纯的数据意外——这也是最简单的解释。刘易斯和其他专家指出,他们已经仔细研究了这个问题和数据中的有关疑点。

(arxiv.org/abs/1807.06209)


约翰斯·霍普金斯大学的宇宙学家格雷姆·艾迪生(Graeme Addison)并没有参与普朗克的分析和该论文的研究,他表示:“毋庸置疑,这些现象在某种程度上是客观存在的,只是人们在如何解释这些现象上会产生分歧。”


宇宙是平的吗?如果在太空中并排发射两束光,它们是将永远保持平行,还是在封闭的宇宙里最终交叉、回到它们开始的地方?问题的答案在很大程度上取决于宇宙的密度如果宇宙中所有物质和能量(包括暗物质和暗能量)加起来的密度,刚好能让向外膨胀的能量和向内的引力达到平衡,那宇宙就会在所有方向上平坦延伸。


宇宙的形状很大程度上取决于宇宙的密度。© www.learner.org


宇宙膨胀说是有关宇宙诞生的主流理论,它认为宇宙是平坦的。从21世纪初开始,各种观察结果表明,我们的宇宙几乎是平坦的,它的密度也必然处在这种临界密度范围之内。这个临界密度范围是可以计算得出的,为每立方米空间中约有相当于5.7个氢原子的物质,其中大部分物质都是不可见的。


普朗克望远镜通过测量过去138亿年中宇宙微波背景光穿过宇宙时发生的偏折或是“引力偏折”(gravitationally lensed),来衡量宇宙的密度。宇宙微波背景的这些光子在前往地球的过程中遇到的物质越多,发生的偏折就越多,它们的方向就无法清晰地反映出它们在早期宇宙中的起点。


这种现象表现在数据中,就是一种模糊效果,可以消除光空间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临界密度高5%,平均密度约为每立方米6个氢原子,而不是5.7个氢原子。较高的密度会让引力作用占据上风,让宇宙成为一个封闭的整体。


普朗克的科研团队注意到,多年前光线的偏折效应要比之前预期的更大。在去年发布的针对完整数据集的最终分析中,异常现象是最为明显的。如果宇宙是平坦的,考虑到数据的随机统计波动,宇宙学家预计宇宙曲率的测量值将落在0的一个“标准差”范围之内。


但普朗克团队和该论文的作者都发现,宇宙微波背景的数据偏离了足有3.4个标准差。如果宇宙真的是平的,那这就是一次很大的“偶然事件”,大约相当于掷硬币时连续11次正面朝上。这种情况发生的概率还不到1%。普朗克团队将这一测量结果归因于偶然,或者说是归因于某种无法解释的效应,这种效应和额外物质效应(effect of extra matter)一样,模糊了宇宙微波背景光。


也有可能,宇宙真的是封闭的。迪·瓦伦蒂诺等人指出,封闭的宇宙模型可以解释宇宙微波背景中的其他异常发现。例如,研究人员会测量来自天空不同区域的宇宙微波背景光的颜色变化,以此推断宇宙关键成分的数值,如暗物质和暗能量的数值。奇怪的是,当他们用于比较的区域大小发生变化时,他们得到的答案也会发生变化。迪·瓦伦蒂诺等人指出,如果用封闭的宇宙模型重新计算这些数值,它们就不会有什么不同了。


纽约布法罗大学(University at Buffalo)的宇宙学家威尔·金尼(Will Kinney)认为,封闭宇宙模型的这种好处“非常有趣”。但他同时也指出,在宇宙微波背景光中看到的变量大小带来的差异,很可能只是一种统计起伏,或是一种会影响偏折测量的、无法识别的误差。


一张表示宇宙间不同物质能量成分的饼图,大约有96%的能量来自奇异的暗物质和暗能量。© iVoox


宇宙学的标准理论中,有六种关键特性用来描述宇宙,这就是所谓的“ΛCDM”宇宙模型(以暗能量——用希腊字母Λ表示——和冷暗物质命名)。ΛCDM宇宙模型只用6个参数就可以准确描述宇宙的几乎所有特征。根据ΛCDM宇宙模型,宇宙是不存在任何曲率的,宇宙是平坦的。




“重点并非宇宙是封闭的。重点是数据之间的不一致性。

——罗马第一大学的亚历山德罗·梅尔奇奥里



迪·瓦伦蒂诺等人的论文有理有据地指出,我们可能需要在ΛCDM模型中添加第7个参数,来描述宇宙的曲率。这个参数可以改善光偏折测量中数据的拟合度。


但其他宇宙学家认为,在把这种反常看得过于严重,给ΛCDM模型增加第7个参数之前,我们必须要考虑到ΛCDM模型正确情况下的所有其他情况。当然,我们也可以专注在这一个反常的现象上,就像连续11次掷硬币都正面朝上一样,坚持说这个模型有问题。但宇宙微波背景这个数据集如此庞大,就像掷数百次乃至数千次硬币一样。很难想象,在这样的情况下我们会随机地遇到连续11次正面朝上。物理学家把这种现象称为“别处效应”(“look elsewhere” effect)。


研究人员还指出,大多数其他测量都不需要第7个参数。还有第二种方法,可以通过测量来自天空中四点的光线间的相关性,来收集宇宙微波背景的空间曲率;这种“偏折重建”(lensing reconstruction)的测量也表明宇宙是平坦的,并不需要增加第7个参数。


ΛCDM模型,加速扩张的宇宙。© The Great Courses Plus


重子振动分光镜勘测调查对宇宙信号(即重子声学振荡,baryon acoustic oscillations)的独立观察结果也表明,宇宙是平坦的。普朗克在2018年的分析中将偏折测量结果和其他两个测量结果结合在一起,得出空间曲率的均值为0,标准差为1。


迪·瓦伦蒂诺等人认为,将这三个不同的数据集放在一起会掩盖一个事实,即不同的数据集实际上是不一致的。梅尔奇奥里在邮件中写道:“重点并非宇宙是封闭的。重点是数据之间的不一致性。这表明目前我们的模型与真实宇宙并不完全一致,我们还漏掉了一些东西。”换句话说,ΛCDM模型是错误的,或是不完整的。


本文在创作过程中也咨询了其他的研究人员,他们都认为,有足够的证据表明宇宙是平坦的。艾迪生说,“考虑到其他测量结果,普朗克数据之所以会有这种现象存在,统计起伏是最显而易见的解释。它可能是由普朗克分析中一些不够精确的地方导致的,也可能完全是噪声起伏或是随机偶然事件。但无论是哪一种,我们都没有理由把这种封闭宇宙模型当真。”


但这并不是说,现有的宇宙学宏图中就没有缺失的碎片。ΛCDM模型预测出的宇宙当前膨胀率似乎就是错的,这一点也引发了很大的争议,就是所谓的哈勃常数问题(Hubble constant problem)。但是,宇宙封闭论并不能真正解决这个问题。事实上,增加曲率这个参数只会让膨胀率的预测结果变得更差。除了要否定普朗克的异常偏折测量结果之外,我们也没有理由相信宇宙是封闭的。


金尼表示:“时间会证明一切,但我个人并不为此感到担心。”他并不担心宇宙微波背景数据中曲率的问题。“它和那些被证明毫无意义的反常现象并没有什么不同。”



文/Natalie Wolchover

译/杨睿

校对/兔子的凌波微步

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

本文基于创作共同协议(BY-NC),由杨睿在利维坦发布

文章仅为作者观点,未必代表利维坦立场



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