几十年来,宇宙学家对这个问题给出的答案相当自信:宇宙是平坦的,就像一张无限延伸的平面,没有边界,没有折叠,没有尽头。
这个结论并非凭空而来,它建立在对宇宙微波背景辐射(CMB)的大量精密测量之上,背后有欧洲航天局普朗克卫星数年积累的海量数据支撑。然而一个名为COMPACT的国际宇宙学合作团队,正在把这个结论一点一点地拆开来重新审视。
他们的发现令人不安:我们一直以来用来排除各种宇宙形状可能性的方法,存在一个根本性的逻辑漏洞。
要理解这个漏洞,先得了解科学家是如何"测量"宇宙形状的。
宇宙微波背景辐射是大爆炸约38万年后留下的热辉光,是人类目前能观测到的最古老的光。如果宇宙拥有非平凡的拓扑结构,比如甜甜圈状或圆柱形,光线就可以沿多条路径抵达地球,同一片宇宙区域会被我们从两个不同方向看到,在CMB天图上留下成对出现的"匹配圆",像同一地点盖了两次章的收据。
1998年,凯斯西储大学物理学家格伦·斯塔克曼与同事发表了"天空中的圆"方法,随后科学家们对普朗克卫星数据进行了彻底搜索。结果:什么都没找到。
于是共识形成了,既然找不到匹配圆,那宇宙的"折叠尺度"要么远大于可观测宇宙,要么根本就不存在折叠,宇宙是无限平坦的。
但COMPACT团队发现了这个推论的致命盲点:匹配圆方法假设,只要宇宙的"折叠环"尺寸小于可观测宇宙的边界,这些圆就一定会出现在CMB天图上。然而这个假设是错的。
一个折叠环完全可以以倾斜的角度穿过空间,恰好避开观测者的视线,既不正面也不侧面与CMB的"最后散射面"相交,从而在天图上留不下任何可见痕迹。这就像一面镜子,我们以为它一定会出现在正前方,却忘了检查两侧,也没想过它可能完全侧过去了。
COMPACT团队的计算表明,真实的最小折叠环尺寸可能比之前认定的硬性下限小2到6倍。换句话说,那些曾被科学家们宣告"已被排除"的宇宙形状,现在又悄悄回到了候选名单上。
这项发现之所以令人头皮发麻,还在于它触及了一个更深的问题,平坦并不等于简单。
即便宇宙的几何结构是平坦的,也就是说光线在宇宙中沿直线传播,平行线永不相交,它仍然可以有18种完全不同的拓扑结构。一张平坦的纸可以卷成圆柱,可以做成甜甜圈,可以扭成克莱因瓶,每一种形态在几何上依然是平坦的,但空间的整体结构截然不同。
宇宙也是同样的道理。平坦的几何结构,与宇宙的全局形状,是两件完全不同的事。爱因斯坦的广义相对论在描述局部时空弯曲方面无与伦比,但它对宇宙的整体拓扑结构几乎没有约束,这个问题只能靠观测来回答。
COMPACT团队正在系统性地为每一种可能的拓扑结构建立"声纹模板",思路来自数学家马克·卡茨1966年提出的一个问题:仅凭听鼓声,能否推断出鼓的形状?不同拓扑结构的宇宙,就像不同形状的鼓,会在CMB中放大某些声学模式,压制另一些,留下各自独特的统计印记。
这种方法的计算量极为庞大,依赖现代超算才能实现,但它有望绕开"匹配圆"方法的局限,从数据的深层统计结构中读取宇宙形状的信息。
目前,COMPACT已完成了17种平坦拓扑结构中9种"可定向"类型的模板构建工作,并计划将研究延伸至具有正曲率的球形拓扑结构,以及利用欧几里得、罗曼和球谱空间望远镜未来提供的三维星系分布图,把分析从二维CMB天图拓展进入真正的宇宙三维空间。
宇宙的形状,目前仍然未知。那些原本被视为已然关闭的门,现在又重新打开了。科学最诚实的姿态,或许正是承认:我们曾经以为自己知道,但我们不知道。
