研究宇宙的形状：可以迫使我们重新思考我们对宇宙所知的一切

无论你的理论多么精辟，实验数据都将是最后的决定。行星逆行的观测是哥白尼理论的基础，在哥白尼理论中，太阳取代地球成为太阳系的中心,水星的异常轨道为广义相对论提供了一个惊人的证明。

事实上，我们对宇宙的全部理解是建立在观测到的、意想不到的异常之上的。现在我们发表在《自然天文学》上的新论文得出了一个结论，如果得到证实，可能会引发宇宙学危机。我们表明宇宙的形状实际上可能是弯曲的而不是平坦的，正如先前所认为的那样，其概率大于99%。在弯曲的宇宙中，不管你往哪个方向走，你都会像在球体上一样在起点处结束。尽管宇宙有四个维度，包括时间。

这个结果是基于最近对宇宙微波背景的测量，宇宙微波背景是由普朗克卫星收集的大爆炸遗留下来的光。根据爱因斯坦的广义相对论，质量扭曲了周围的空间和时间。结果，光线明显地绕着一个大质量的物体转，而不是沿着一条直线移动，这就是所谓的引力透镜效应。普朗克数据中的这种透镜比我们想象的要多得多，这意味着宇宙中可能含有更多的暗物质，一种不可见的未知物质。

在我们的研究中，我们证明了一个封闭的宇宙可以为这个效应提供物理解释，因为它比一个平坦的宇宙能够容纳更多的暗物质，这样的宇宙与广义相对论是完全相容的。

来自七年WMAP数据的宇宙微波背景温度波动。学分：NASA/WMAP

让人类头疼的难题

并非所有的宇宙学家都相信一个封闭的宇宙，尽管先前的研究表明宇宙确实是平的。如果一个球形宇宙是透镜异常的一个解，那么我们必须处理几个重要的结果。首先，我们必须修正宇宙学的一个基本基石，宇宙膨胀理论。宇宙膨胀描述了大爆炸后的第一瞬间，预测了原始宇宙的指数膨胀期，这一理论是在过去40年中发展起来的，目的是解释为什么宇宙遥远的部分看起来一样，温度也一样，而它们相距太远，根本无法接触。

宇宙膨胀解决了这个问题，因为它意味着宇宙中遥远的区域曾经是相连的，但人们也认为，将这些区域分开的快速膨胀时期，也使宇宙达到了极其精确的平坦状态。如果宇宙是封闭的，宇宙膨胀就被限制了，这就意味着我们失去了对宇宙为什么具有它所具有的结构的标准解释。一旦我们假设宇宙是弯曲的，普朗克的数据与所有其他数据集基本上是不一致的。正如我们在论文中所说，这一切归结为宇宙学的一场真正危机。出于这些原因，宇宙学家们非常谨慎，他们中的许多人更愿意将结果归因于一种统计上的侥幸心理，这种侥幸心理将在未来实验的新数据可用时得到解决。

宇宙可能的形状：最上面的形状是弯曲和闭合的，正如新的研究所建议的。图片来源：维基百科

我们会错吗？

我们肯定有可能是错的。但我们认为，有一个主要原因是不应仅仅抛弃这种反常现象。在粒子物理学中，一项发现的精确度至少应达到5个“sigmas”，才能被社会所接受。这里我们略高于三个sigmas，所以我们明显低于这个接受水平。但是，虽然粒子物理的标准模型是基于已知和已证实的物理，但标准宇宙学模型是基于未知物理。目前，宇宙学三大支柱：暗物质、暗能量（导致宇宙加速膨胀）和宇宙膨胀的物理证据完全来自宇宙学。它们的存在可以解释许多天体物理观测，但是，无论是在最小尺度上控制宇宙的粒子物理标准模型中，还是在大尺度上运行的广义相对论中，它们都是不可预期的。相反，这些物质属于未知物理学领域，没有人在实验室或其他地方见过暗物质、暗能量或宇宙膨胀。

来源：coldcreation，CC BY-SA

因此，虽然粒子物理学中的一个异常可以被看作是我们可能需要发明全新物理学的一个暗示，但宇宙学中的一个异常应该被看作是我们必须揭示完全未知物理学的唯一途径。因此，我们论文最有趣的结果不是宇宙看起来是弯曲还是平坦的，而是它可能迫使我们以完全不同的方式重新排列宇宙拼图的各个部分。

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