天文
或许我们搞错了宇宙的形状？
上周，《自然天文学》(Nature Astronomy)杂志上的一篇颇具争议性的论文认为，宇宙可能如同球面一样蜷曲和封闭，而非现在普遍认可的宇宙学理论刻画的那样，平直。论文作者重新分析了主要的宇宙学数据集，并得出结论，仅从数据出发，我们的宇宙有99％的确定性是闭合的——即使其它证据显示，宇宙应该是平坦的。
罗马萨皮恩扎大学的Alessandro Melchiorri指出，数据——来自普朗克太空望远镜对宇宙微波背景(CMB)的观测——“显然指向了封闭宇宙模型”。他与曼彻斯特大学的Eleonora di Valentino和牛津大学的Joseph Silk共同撰写了该论文。他们认为，指向封闭宇宙模型的CMB数据与其它支持平坦宇宙的证据之间的矛盾，揭示了当代的“宇宙学危机”，需要我们“重新思考”某些基础内容。
这里所谓的平坦，实际上就是著名的欧几里得几何学中的第五公设：过一点有且只有一条直线已知直线平行。放到物理背景，就是两束平行的光将永远保持平行。而在正曲率空间——封闭宇宙模型中——不存在平行线！任何两条直线都会相交。宇宙的具体形状，很大程度上取决于物质的密度。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，恰好使向外膨胀的能量与向内引力的能量相平衡，那么空间将在所有方向上平坦地延伸。
宇宙学的主要理论被称为宇宙膨胀假说，膨胀产生了原始的平坦度。自2000年初以来的各种观察表明，我们的宇宙几乎是平坦的，因此实际密度必然处于理论上的临界密度之内——经过数学计算，相当于每立方米约有5.7个氢原子的物质。
因为光速守恒，所以我们接收到的光线都来自过去——越远则历史越久。CMB相当于宇宙早期的辉光，普朗克望远镜接收过去138亿年里CMB，测量其在穿越宇宙空间时发生的偏转或“引力透镜效应”来估算宇宙的密度。根据分析，宇宙的密度可能比临界密度高约5％，即平均每立方米含6个氢原子，而不是5.7，因此引力获胜，宇宙发生弯曲，最终将闭合成球。
普朗克项目的科学家在多年前就注意到透镜效应比预期的要大。在去年发布对完整数据集的最终分析里，异常最为明显。如果宇宙是平坦的，由于数据中的随机统计波动，宇宙学家预计曲率测量值将落在0的一个“标准偏差”之内。但是，普朗克项目团队和新论文的作者都发现CMB数据偏离了3.4个标准差。假设宇宙是平坦的，那就是出现了非常偶然的大误差——几率大约等于连续11次掷硬币得到正面，这种情况的几率少于1％。普朗克团队将误差归因于运气，或某种无法解释的现象，使CMB接收到的光线更加模糊。
也许宇宙真的是封闭的。 Di Valentino及其合作者指出，封闭模型可以解决CMB中的其他异常。例如，研究人员通过测量不同区域的CMB的颜色，推断暗物质和暗能量的数量。但奇怪的是，在局部和更大范围里，会出现不一致的答案。论文作者指出，如果应用封闭宇宙模型，就能得到完美的解释。
根据宇宙学的标准理论，决定宇宙形态，只需6个关键参数——就是所谓的“ΛCDM”。ΛCDM可以准确描述宇宙的几乎所有特征。并且不能从ΛCDM中推导出宇宙的曲率；它默认宇宙是平坦的。
这里的重点不在于宇宙是否是封闭的。问题在于数据之间的矛盾。
新论文指出，我们可能需要向ΛCDM添加第7个参数：描述宇宙曲率的数字。
但是其他宇宙学家认为，现在还为时尚早，我们需要把所有其他情况纳入考虑。当然，异常——连续11次投掷硬币得到字——看起来有些问题。但是CMB拥有天文数字一样的数据，就像掷硬币数百次或数千次一样。所以说，总会随机到连续11次字。物理学家称此为“向别处看”效果。
此外，研究人员指出，大多数其他结论都不需要第7个参数。我们用其它方法测量宇宙曲率的结果，都显示：宇宙是平坦的。
Di Valentino，Melchiorri和Silk认为，恰恰是所有这些掩盖了一个事实，来源不同的数据并不一致。“这里的问题不在于宇宙的封闭性，而是数据之间的不一致。这表明当前还没有统一的模型，我们缺失了某些要素。”换句话说，ΛCDM是错误的或不完整的。
纽约布法罗大学的宇宙学家Will Kinney称封闭宇宙模型“非常有趣”。但是他指出，最清楚的解释是，这是统计波动。可能是算法问题，也可能是噪点波动或随机误差。
“时间会证明一切，但我个人并不为此担心。这种类型的异常就像是玻璃上的水蒸气。”
本文译自 quantamagazine，由 majer 编辑发布。