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宇宙是什么形状的
据宇宙学家们所知，空间几乎是完全平坦的。但这意味着什么呢？
广义相对论认为，空间本身可以弯曲，从而使宇宙可以呈现三种形式：像纸张一样平坦，像球体一样闭合，或者像马鞍一样开放。这种天文几何学并不是一件小事——宇宙的命运取决于它。
正如普林斯顿大学的宇宙学家David Spergel所说的，“宇宙的形状告诉我们它的过去和未来。”宇宙是否会永远膨胀或最终崩溃，以及宇宙是否有限或无限——这些都是与它的形状相关的问题。
对于一个涉及如此宏大问题的事情，它的组成部分却非常简单。宇宙的最终结构取决于两个因素：它的密度和它的膨胀速度。
闭合、开放或平坦的宇宙？
宇宙大约有68%是暗能量，27%是暗物质。剩下的是正常物质，包括行星、恒星和其他天体。宇宙的密度指的是这些物质在一定体积的空间中的密集程度。
如果宇宙的密度足够大，以至于它的引力能够克服膨胀的力量，那么宇宙就会卷成一个球。这被称为闭合模型，具有类似于球体的正曲率。这种宇宙的一个令人难以置信的特性是，它是有限的，但它没有边界。一个星际的麦哲伦可以绕着它航行，永远地穿越空间，而不会撞到墙壁或掉到边缘。
另一方面，如果宇宙的密度很低，无法阻止膨胀，那么空间就会向相反的方向弯曲。这将形成一个开放的宇宙，具有类似于马鞍的负曲率。
还有一个对于宇宙来说刚刚好的情况，科学家们说这是最有可能的。大多数宇宙学证据表明，宇宙的密度正好合适——相当于每1.3立方码的空间中有大约六个质子——它在每个方向上都均匀地膨胀，而不会正向或负向地弯曲。换句话说，宇宙是平坦的。(也许这会对那些对我们的星球是圆的感到失望的人有些安慰。)
平坦的三维
平坦的宇宙意味着什么呢？这种平坦性不是我们在日常生活中经常遇到的二维的那种，但你可以用一些类比来想象它。
假设你站在一个正方形房间的一个角落。沿着墙走10英尺到下一个角落，然后转90度。再走10英尺，再转90度。再做两次，你就会回到你开始的地方——你完成了一个正方形。这是我们在高中学过的标准欧几里得几何，如果你再加上一个维度，你就得到了一个平坦的宇宙。
但是在一个代表闭合宇宙的正曲率空间上进行这个实验会产生不同的结果。这次，从地球的赤道开始，走到北极。然后，转90度，走回赤道。再转90度，走回你的起点。在平坦的宇宙例子中，你需要转四次才能回到你开始的地方，但在闭合的宇宙例子中，只需要转三次。
如果你(可以理解的)仍然感到困惑，这里有另一个例子：在一个平坦的宇宙中，两枚并排飞行的火箭将始终保持平行。这与闭合的宇宙不同，在闭合的宇宙中，这两枚火箭的路径会分开，沿着空间的曲率行进，最终绕一圈回到它们开始的地方。而在一个负曲率的，开放的宇宙中，火箭会分开，永远不会再相交。
宇宙危机
关于宇宙形状的最佳线索隐藏在宇宙微波背景(CMB)中，这是从每个方向向我们辐射的大爆炸的余辉。在过去的几十年里，科学家们反复测量了CMB的温度波动——基本上是在最大的尺度上进行三角测量——发现几乎没有曲率。
平坦的宇宙是标准宇宙模型的一个关键部分，也被称为Lambda冷暗物质(ΛCDM)模型。(Λ是希腊字母lambda，表示暗能量。)但是，在2019年末，罗马的萨皮恩萨大学的Alessandro Melchiorri和他的同事发表了一篇论文，得出结论说，Planck空间观测站对CMB的测量表明宇宙是闭合的。
他们分析了引力透镜的量——即CMB的光线在其路径上的物质的引力作用下偏转了多少——发现一个比ΛCDM模型预测的更高的数字。如果你去掉平坦宇宙的假设，而不是“试图把数据拟合到错误的模型上，”他说，偏差就消失了。
Planck合作组(Melchiorri是其中的一员)也检测到了一个透镜异常，但没有认为它很重要。“这是你可以很容易地接受的东西，”英国布莱顿的苏塞克斯大学的宇宙学家Antony Lewis说，他也是Planck团队的成员。他和大多数研究人员一样，把这种差异归因于统计上的偶然。“如果你得到了一个大的数据集，你寻找奇怪的东西，”Lewis说，“你一定会找到它。”
Melchiorri承认他“有点在扮演魔鬼的倡导者”，但他确实相信科学家们应该保持谦虚，不要轻易地否定Planck的数据。他的观点不是宇宙本身是闭合的，而是这种不一致可能告诉我们一些重要的东西。他也意识到了这种说法的含义。他和他的合作者们称之为“宇宙危机”。“一旦你假设一个闭合的宇宙，就有点像一场灾难，”他说，“因为有很多数据集开始与[Planck的数据]不一致。”
平坦的宇宙一览无余
如果是真的，它将推翻几十年的天文学发现。但除了这些数据之外，没有丝毫理由怀疑宇宙是平坦的。所有其他的CMB测量，比如智利的阿塔卡马宇宙望远镜(ACT)和威尔金森微波各向异性探测器的测量，都与平坦性一致。其他来源的数据，最值得注意的是重子声波振荡——这是大爆炸后发生的原始声波在星系上留下的印记——也表明平坦性。
任何一个由如此压倒性的证据支持的理论，都会让大多数科学家对一个单一的异常持怀疑态度。“Melchiorri的论文并不荒谬，”Spergel说，因为它确实描述了Planck数据中一个有利于正曲率的特征。“但是，”他补充说，“当你去获取更多的数据时，你会看到一个平坦的宇宙的相当一致的画面。”
在12月发表的一篇论文中，Spergel和其他几十名与ACT相关的研究人员将他们自己的数据和其他数据集与Planck的数据结合起来。他们发现“没有偏离平坦性的证据，支持[Planck偏差]是一个统计上的波动的解释。”自从Melchiorri的论文发表以来，其他的分析也得出了相同的结论，包括去年2月由剑桥大学的宇宙学家George Efstathiou和Steven Gratton进行的一项。就他们而言，没有必要更新ΛCDM模型。
所以，至少目前来看，宇宙似乎是一张三维的纸张。但就像Melchiorri不坚持它实际上是闭合的，不是所有的科学家都坚持它实际上是平坦的——这只是从我们的角度看起来的样子。我们的观测，从定义上说，是限于可观测的宇宙，所以我们可能会错过一些东西。
如果宇宙是弯曲的，那么它必须是如此巨大，以至于我们能看到的整个930亿光年的部分还不足以揭示曲率。Gratton举了一个来自地球的例子，他说，这就好像我们站在雾中，看不到超过一小块平坦的土地——但在某个看不见的地方，地平线证明我们生活在一个球体上。“当我们说宇宙是平坦的，”他说，“我们的意思是，我们能看到的宇宙的一小部分，与是一个3D类比的平面的一部分是一致的。”