@ 2019.11.14 , 11:00

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,由译者 majer 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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