具有巨大盘面的扁球体，就像个超级大号的铁饼——这是我们赖以生存的银河系的肖像。那么，宇宙是什么形状的呢？

无数科学家都曾对其有过诸多猜想，这个疑问也始终没有确切的答案。经过多年的观测和推演，这些猜想逐渐收敛到一个主流的观点上——宇宙是无边无际的平坦三维空间。

近日，英国曼彻斯特大学研究人员埃莱奥诺拉·瓦伦蒂诺等人通过对普朗克卫星的观测数据分析指出，宇宙可能不是像床单一样平坦，而是一个封闭的三维球面，就像个巨大的气球一样弯曲。该研究日前发表在《自然·天文学》杂志上。

两种思路探索宇宙形状之谜

以牛顿引力为基础的牛顿宇宙观认为，宇宙是无限无边的三维欧氏几何空间，即宇宙分布在我们常说的立体几何空间里，这一空间是无限的，其中均匀地分布着无限多的天体。然而，这一假设与引力理论并非完全契合，而是存在某些矛盾。

“后来，当人们认识到弯曲空间的概念以后，便有了宇宙是三维球面的可能性。”中国科学院国家天文台研究员陈学雷在接受记者采访时表示，爱因斯坦构造了一个有限无边的宇宙静态模型，他认为宇宙可能是一个有限封闭的三维球面。

根据广义相对论，物质的存在使得时空弯曲。在巨大质量的天体附近，光线不“走”直线，而是“走”曲线。后来，随着对宇宙的认知进一步加深，人们发现，实际上宇宙的真实形状存在着多种可能性。

“最常见的有3种可能，即平直的三维欧氏几何空间、弯曲的封闭三维球面和弯曲的三维双曲面。”陈学雷表示，即宇宙曲率分别为零、正和负时，宇宙所呈现的三种不同形态。

这三种可能的宇宙形状中，只有封闭三维球面是有限的空间。三维双曲面就像马鞍的形状一样，马鞍的双侧下沿无限延伸。而平坦的三维欧氏空间就更无边无际了。

那么，这三种可能性究竟哪种才是宇宙的真实形状呢？我们又是用何种方法测算出宇宙的形状呢？

“主要有两种思路，其一是用几何的方法测量，其二是用密度的方法去界定。”陈学雷介绍。

众所周知，在平直空间的欧氏几何中，任何三角形的内角之和都是180°。但是如果在球面上或曲率为正的曲面上，内角加起来将超过180°。而在双曲面或曲率为负的曲面上，三角形内角加起来将小于180°。

几何测量方法的原理是，以观测者作为一个顶点，再在空间选取2个点，构成一个三角形。如果我们能测出三条边的边长，在欧氏几何中就可以确定这一具有唯一性的三角形，其顶角的大小就可以计算出来。

另一方面，我们也可以通过直接观测得到我们所在的顶角的大小，与计算值相比，就可以确定是否一致，还是更大或更小。

如果这个顶角的观测值和计算值（真实值）相等，表明宇宙是平直的三维欧氏空间；如果观测值大于计算值，则表明光线在一个正曲率面上穿行，即宇宙为球面；如果观测值小于计算值，则表明宇宙是负曲率的双曲面。

另外一种思路取决于膨胀宇宙的总体密度和临界密度的关系。临界密度取决于膨胀速度，某一时刻的膨胀速度越高，临界密度也越高。

根据广义相对论，当宇宙的总体密度（即平均密度）等于临界密度时，宇宙形状为无限、平坦的三维欧氏空间；当总体密度大于临界密度时，宇宙的几何性质表现为球面几何；如果宇宙空间中物质总量太少，使得其密度小于临界密度的话，宇宙表现为双曲几何。

微波背景辐射掀起宇宙神秘面纱

然而，如果沿着几何测量思路，在宇宙尺度上，我们不可能飞到足够远的距离去实地探测，因为如果仅仅是在银河系内甚至银河系周边测量，得到的也只是局部的曲率，并非整个宇宙的真实曲率。就像是地球上有高山、盆地，高低不平，但地球总体上还是个球体。

如果沿着宇宙密度的思路去研究，实际操作起来也很困难。原因在于，虽然我们已经测算出了与哈勃常数相关的临界密度值，但宇宙的总体密度却很难测准。星系间存在广袤的空间，星系内和星系之间的空间密度便大不一样。更何况，宇宙中还存在着尚未观测到的、所谓的暗物质，其数量可能远超过目前的可见物质，这给总体密度的测定带来了很大的不确定因素。

宇宙微波背景辐射则为推算宇宙平均密度提供了很大助力。20世纪90年代末的毫米波段气球观天计划中，人们通过对宇宙微波背景辐射的相关数据收集，测量出宇宙总体密度与临界密度的比值接近于1。

“实验是存在误差的，因此基于这一结果，人们认为宇宙没有明显的正曲率或负曲率，几乎是平坦光滑的空间结构。”陈学雷表示，这也与宇宙暴胀理论所预测的平坦宇宙不谋而合。

2018年，欧洲航天局（ESA）普朗克巡天计划公布了更为精确的观测数据。“尽可能地剔除了相关实验误差之后，欧洲航天局的数据显示，宇宙曲率可能倾向于正，即宇宙形状为封闭球面，虽然这一‘倾向’并不十分明显。”陈学雷说。

此次研究中，瓦伦蒂诺等人通过普朗克卫星观测得到宇宙微波背景辐射“引力透镜化”程度的数据基础，又分析了大量数据，采用不同的模型对这些数据进行拟合，相关计算得出宇宙是封闭球面的概率约为99%。

结果更可靠但争论远未尘埃落定

这项研究结果可靠吗？宇宙形状的争论是否也就此尘埃落定？

“此次研究中所采用的统计学研究并非无懈可击，还存在一定的误差。但如果事实确实如此，那必然会推翻很多传统的认知。”陈学雷告诉记者，研究人员可能会低估统计误差，所以真实的概率或许没有99%这么高。

“值得注意的是，所有的参数推演都是基于一定的模型，例如通过时间和速度，可以计算出路程。路程、时间、速度这三者之间的关系就是一个简单的模型。

而这项研究中，我们并不确定其用到的模型本身是否包含了所有的物理学效应，这是值得进一步研究的。”陈学雷指出，比如未考虑到某些效应，或存在一些未知效应，就会影响我们对宇宙真实形状的判断。

研究人员也表示：“我不想说我相信一个封闭的宇宙。”他认为，这一结果只是表明与以往的研究有差异，至于为何会存在这一差异，应谨慎地探索其中原因。

以往也曾有研究指出，宇宙的形状并非平坦的三维欧氏空间。为何此次研究，学界较为关注？

“以往的研究通常会根据宇宙微波背景辐射的热斑判断宇宙形状。”陈学雷告诉记者，宇宙微波背景辐射的温度是不均匀的。宇宙早期存在声波振荡，第一次振荡产生的热斑最大。

以往的研究相当于只是在这个最大热斑的基础上画了一个三角形，测量宇宙曲率。事实上，如果改变其中某些参数，即便不同的模型也可能会拟合出同样的曲线，因此准确度相对较低，可信度也较低。

“而此次研究相当于不仅采用了最大热斑的三角形，还同时分析了其他振荡所产生热斑的三角形，宇宙是封闭球面的结果相对更加可信。”陈学雷谈道，“文章中还提到了对除宇宙微波背景辐射之外的观测，如超新星等，拟合效果并不理想，这表明还有一些东西我们未考虑到，需要进一步的探索。”（于紫月）

来源 | 科技日报
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