宇宙是什么形状？

根据广义相对论，空间本身是可以弯曲的，宇宙可以呈现 三种形态：像一张纸一样平坦，像一个球体一样封闭，或者像一个马鞍一样开放。这种天体几何并非微不足道——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：“宇宙的形状告诉我们它的过去和未来。”宇宙是会 永远膨胀下去，还是最终会坍缩，以及它是 有限的还是无限的——所有这些问题都与其形状息息相关。

对于这样一个关乎宏大问题的事务，其组成部分却异常简单。宇宙的最终结构仅取决于两个因素：其密度和膨胀速率。

封闭、开放还是平坦的宇宙？

宇宙中大约 68% 是暗能量，27% 是暗物质。其余的是普通物质，包括行星、恒星和其他天体。宇宙的密度指的是在给定空间体积内物质的含量。

如果宇宙的密度足够大，以至于其引力能够克服膨胀的力，那么宇宙就会卷曲成一个球体。这就是所谓的封闭模型，具有正曲率，类似于球体。这个宇宙一个令人难以置信的特性是，它虽然有限，但没有边界。一个星系间的麦哲伦可以环绕它航行，永远穿越空间而不会撞到墙壁或掉下边缘。

另一方面，如果宇宙的密度很低，不足以阻止膨胀，空间就会向相反的方向弯曲。这将形成一个开放的宇宙，具有负曲率，类似于马鞍。

宇宙还有一种“金发姑娘”情景，科学家们认为这是最 plausible 的。大多数宇宙学证据表明，宇宙的密度 恰到好处——相当于每 1.3 立方码约有六个质子——并且它在各个方向上膨胀，既不呈正曲率也不呈负曲率。换句话说，宇宙是平坦的。(也许这对任何对我们星球的圆形感到失望的人来说都是一种安慰。)

三维空间中的平坦

但平坦的宇宙到底意味着什么呢？这种平坦不是我们日常生活中经常遇到的二维平坦，但你可以通过一些类比来想象它。

假设你站在一个方形房间的一个角落。沿着墙壁走到下一个角落走 10 英尺，然后转 90 度。再走 10 英尺，再转 90 度。再重复两次，你就会发现自己回到了起点——你完成了一个正方形。这就是我们在高中学过的标准欧几里得几何，如果增加一个维度，你就会得到一个平坦的宇宙。

然而，在一个代表封闭宇宙的正曲率空间中进行这个实验，会产生不同的结果。这次，从地球赤道出发，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，你走了四次才回到起点，而在封闭的宇宙例子中，只走了三次。

如果你(可以理解地)仍然感到困惑，这里还有另一个例子：在一个平坦的宇宙中，两艘并排飞行的火箭将始终保持平行。这不像在一个封闭的宇宙中，这两艘火箭的路径会发散，沿着空间的曲率行进，最终会绕行回到起点。而在一个负曲率的开放宇宙中，这两艘火箭会分开，再也不会相遇。

“宇宙危机”

关于宇宙形状的最佳线索都隐藏在宇宙微波背景辐射 (CMB) 中，这是宇宙大爆炸的余辉，从四面八方辐射过来。在过去的几十年里，科学家们反复测量了 CMB 中的温度波动——基本上是在尽可能大的尺度上进行三角测量——并且几乎没有发现任何曲率。

平坦的宇宙是标准宇宙学模型（也称为 Lambda-CDM 模型）的关键组成部分。(Λ 是希腊字母 lambda，表示暗能量。) 但是，在 2019 年底，罗马萨皮恩扎大学的 Alessandro Melchiorri 和他的同事们 发表了一篇论文，得出结论认为 Planck 空间望远镜的 CMB 测量数据表明宇宙是封闭的。

他们分析了引力透镜效应的程度——CMB 的光线在穿过物质路径时被引力弯曲了多少——发现的数值高于 ΛCDM 模型预测的数值。他说，如果你消除了宇宙是平坦的假设，而不是“试图将数据拟合到错误的模型”，那么这种偏差就会消失。

Planck 合作项目(Melchiorri 是其中一员)也 检测到了透镜效应异常，但认为其不显著。英国布莱顿萨塞克斯大学的宇宙学家、Planck 团队成员 Antony Lewis 说：“这是可以很容易接受的。”他和大多数研究人员一样，认为这种差异是统计上的巧合。“如果你得到一个大的数据集，然后寻找异常，”Lewis 说，“你肯定会找到它。”

Melchiorri 承认他“扮演了一下魔鬼代言人的角色”，但他确实认为科学家们应该保持谦虚，不要完全否定 Planck 的数据。他的观点并非宇宙本身是封闭的，而只是这种不一致性可能在告诉我们一些重要的事情。他也认识到这句话的含义。他和他的合著者称之为“宇宙危机”。“一旦你假设宇宙是封闭的，那将是一场小小的灾难，”他说，“因为有许多数据集开始与 [Planck 数据] 产生矛盾。”

所见之处皆是平坦

如果属实，这将颠覆数十年的天文发现。但除了这些数据之外，没有任何理由怀疑宇宙是平坦的。所有其他对 CMB 的测量，如智利阿塔卡马宇宙学望远镜 (ACT) 和威尔金森微波各向异性探测器的测量结果，都与平坦性一致。来自其他来源的数据，尤其是 重子声学振荡——大爆炸后产生的原始声波在星系上留下的印记——也表明宇宙是平坦的。

任何得到如此压倒性证据支持的理论，都会让大多数科学家对一个孤立的异常持怀疑态度。“Melchiorri 的论文并非荒谬，”Spergel 说，因为它确实描述了 Planck 数据的一个有利于正曲率的特征。“但是，”他补充道，“当你获得更多数据时，你就会看到一个相当一致的平坦宇宙图像。”

在 去年 12 月发表的一篇论文 中，Spergel 和 ACT 的数十名相关研究人员将他们自己的数据和其他数据集与 Planck 数据相结合。他们发现“没有证据表明存在偏离平坦性的情况，支持了 [Planck 偏差] 是统计波动的解释。”自 Melchiorri 的论文发表以来，其他分析，包括剑桥大学的宇宙学家 George Efstathiou 和 Steven Gratton 去年 2 月的一项分析，得出了相同的结论。就他们而言，无需更新 ΛCDM 模型。

因此，至少目前看来，宇宙似乎是一个三维的纸片。但正如 Melchiorri 不坚持认为它实际上是封闭的，并非所有科学家都坚持认为它实际上是平坦的——这只是从我们的角度来看。我们的观测，根据定义，仅限于可观测宇宙，所以我们可能错过了什么。

然而，如果宇宙是弯曲的，它必须非常巨大，以至于我们能看到的 930 亿光年整个范围都不足以揭示这种曲率。Gratton 说，以地球为例，这可能就像我们站在雾中，无法看到一小块平坦的土地——但就在视线之外，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时，”他说，“我们说的是，在我们能看到的宇宙的一小部分中，它与一个 [三维类比的] 平坦表面的组成部分一致。”