上周，《自然天文學(xué)》(Nature Astronomy)雜志上的一篇頗具爭(zhēng)議性的論文認(rèn)為，宇宙可能如同球面一樣蜷曲和封閉，而非現(xiàn)在普遍認(rèn)可的宇宙學(xué)理論刻畫(huà)的那樣，平直。論文作者重新分析了主要的宇宙學(xué)數(shù)據(jù)集，并得出結(jié)論，僅從數(shù)據(jù)出發(fā)，我們的宇宙有99％的確定性是閉合的——即使其它證據(jù)顯示，宇宙應(yīng)該是平坦的。

羅馬薩皮恩扎大學(xué)的Alessandro Melchiorri指出，數(shù)據(jù)——來(lái)自普朗克太空望遠(yuǎn)鏡對(duì)宇宙微波背景(CMB)的觀測(cè)——“顯然指向了封閉宇宙模型”。他與曼徹斯特大學(xué)的Eleonora di Valentino和牛津大學(xué)的Joseph Silk共同撰寫(xiě)了該論文。他們認(rèn)為，指向封閉宇宙模型的CMB數(shù)據(jù)與其它支持平坦宇宙的證據(jù)之間的矛盾，揭示了當(dāng)代的“宇宙學(xué)危機(jī)”，需要我們“重新思考”某些基礎(chǔ)內(nèi)容。

這里所謂的平坦，實(shí)際上就是著名的歐幾里得幾何學(xué)中的第五公設(shè)：過(guò)一點(diǎn)有且只有一條直線已知直線平行。放到物理背景，就是兩束平行的光將永遠(yuǎn)保持平行。而在正曲率空間——封閉宇宙模型中——不存在平行線！任何兩條直線都會(huì)相交。宇宙的具體形狀，很大程度上取決于物質(zhì)的密度。如果宇宙中所有物質(zhì)和能量(包括暗物質(zhì)和暗能量)加起來(lái)的密度，恰好使向外膨脹的能量與向內(nèi)引力的能量相平衡，那么空間將在所有方向上平坦地延伸。

宇宙學(xué)的主要理論被稱(chēng)為宇宙膨脹假說(shuō)，膨脹產(chǎn)生了原始的平坦度。自2000年初以來(lái)的各種觀察表明，我們的宇宙幾乎是平坦的，因此實(shí)際密度必然處于理論上的臨界密度之內(nèi)——經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算，相當(dāng)于每立方米約有5.7個(gè)氫原子的物質(zhì)。

因?yàn)楣馑偈睾?，所以我們接收到的光線都來(lái)自過(guò)去——越遠(yuǎn)則歷史越久。CMB相當(dāng)于宇宙早期的輝光，普朗克望遠(yuǎn)鏡接收過(guò)去138億年里CMB，測(cè)量其在穿越宇宙空間時(shí)發(fā)生的偏轉(zhuǎn)或“引力透鏡效應(yīng)”來(lái)估算宇宙的密度。根據(jù)分析，宇宙的密度可能比臨界密度高約5％，即平均每立方米含6個(gè)氫原子，而不是5.7，因此引力獲勝，宇宙發(fā)生彎曲，最終將閉合成球。

普朗克項(xiàng)目的科學(xué)家在多年前就注意到透鏡效應(yīng)比預(yù)期的要大。在去年發(fā)布對(duì)完整數(shù)據(jù)集的最終分析里，異常最為明顯。如果宇宙是平坦的，由于數(shù)據(jù)中的隨機(jī)統(tǒng)計(jì)波動(dòng)，宇宙學(xué)家預(yù)計(jì)曲率測(cè)量值將落在0的一個(gè)“標(biāo)準(zhǔn)偏差”之內(nèi)。但是，普朗克項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)和新論文的作者都發(fā)現(xiàn)CMB數(shù)據(jù)偏離了3.4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差。假設(shè)宇宙是平坦的，那就是出現(xiàn)了非常偶然的大誤差——幾率大約等于連續(xù)11次擲硬幣得到正面，這種情況的幾率少于1％。普朗克團(tuán)隊(duì)將誤差歸因于運(yùn)氣，或某種無(wú)法解釋的現(xiàn)象，使CMB接收到的光線更加模糊。

也許宇宙真的是封閉的。 Di Valentino及其合作者指出，封閉模型可以解決CMB中的其他異常。例如，研究人員通過(guò)測(cè)量不同區(qū)域的CMB的顏色，推斷暗物質(zhì)和暗能量的數(shù)量。但奇怪的是，在局部和更大范圍里，會(huì)出現(xiàn)不一致的答案。論文作者指出，如果應(yīng)用封閉宇宙模型，就能得到完美的解釋。

根據(jù)宇宙學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)理論，決定宇宙形態(tài)，只需6個(gè)關(guān)鍵參數(shù)——就是所謂的“ΛCDM”。ΛCDM可以準(zhǔn)確描述宇宙的幾乎所有特征。并且不能從ΛCDM中推導(dǎo)出宇宙的曲率；它默認(rèn)宇宙是平坦的。

這里的重點(diǎn)不在于宇宙是否是封閉的。問(wèn)題在于數(shù)據(jù)之間的矛盾。

新論文指出，我們可能需要向ΛCDM添加第7個(gè)參數(shù)：描述宇宙曲率的數(shù)字。

但是其他宇宙學(xué)家認(rèn)為，現(xiàn)在還為時(shí)尚早，我們需要把所有其他情況納入考慮。當(dāng)然，異?！B續(xù)11次投擲硬幣得到字——看起來(lái)有些問(wèn)題。但是CMB擁有天文數(shù)字一樣的數(shù)據(jù)，就像擲硬幣數(shù)百次或數(shù)千次一樣。所以說(shuō)，總會(huì)隨機(jī)到連續(xù)11次字。物理學(xué)家稱(chēng)此為“向別處看”效果。

此外，研究人員指出，大多數(shù)其他結(jié)論都不需要第7個(gè)參數(shù)。我們用其它方法測(cè)量宇宙曲率的結(jié)果，都顯示：宇宙是平坦的。

Di Valentino，Melchiorri和Silk認(rèn)為，恰恰是所有這些掩蓋了一個(gè)事實(shí)，來(lái)源不同的數(shù)據(jù)并不一致?！斑@里的問(wèn)題不在于宇宙的封閉性，而是數(shù)據(jù)之間的不一致。這表明當(dāng)前還沒(méi)有統(tǒng)一的模型，我們?nèi)笔Я四承┮?。”換句話說(shuō)，ΛCDM是錯(cuò)誤的或不完整的。

紐約布法羅大學(xué)的宇宙學(xué)家Will Kinney稱(chēng)封閉宇宙模型“非常有趣”。但是他指出，最清楚的解釋是，這是統(tǒng)計(jì)波動(dòng)。可能是算法問(wèn)題，也可能是噪點(diǎn)波動(dòng)或隨機(jī)誤差。

“時(shí)間會(huì)證明一切，但我個(gè)人并不為此擔(dān)心。這種類(lèi)型的異常就像是玻璃上的水蒸氣。”