汪诘开讲宇宙学新知 02：宇宙比一张纸还平？神似《三体》水滴情节

即便是在霍金如日中天的时候，他也很难回答下面这个问题。

提问：

请想一下，假如光朝一个方向一直飞，最终会回到原地，那么我们在宇宙中应该就可以观察到很多星系的镜像，一个星系发出的光，每跑一圈，就应该能产生一个镜像。但问题是，为什么我们并没有观察到这样的星系镜像，或者叫做星系重影的现象呢？

霍金对此的解释是：

这有两种可能，一种可能是我们人类的天文望远镜还太弱，看不到遥远的暗淡的重影。另一种可能是，宇宙很大，大到目前还没有哪个星系的光能跑完一圈。

这两种解释在当时勉强能说得过去，毕竟，1988 年的时候，哈勃太空望远镜还没有上天。

但是，当哈勃太空望远镜上天后，它的观测能力无与伦比，都已经能看到 130 多亿光年外的遥远天体了，也就是我们看到了是宇宙 130 亿年前的样子，而宇宙的年龄是 138 亿岁，所以，那时候的宇宙还处在幼年期，肯定要比现在的宇宙小得多，怎么还是看不到任何星系的重影呢？

哈勃太空望远镜

01 寻找弯曲的证据

在很长一段时间中，霍金的宇宙模型在科学界一直占据着统治地位，大多数天文学家都相信这个模型。并且正因为相信，许多天文学家都在孜孜不倦地寻找在大尺度上，宇宙是弯曲的证据。

要知道，虽然我们身处在宇宙中，但这并不意味着我们找不到宇宙弯曲的证据。

这就好像，我们生活在地球上，虽然古人无法飞到天上去看地球，但人类很早就发现了地球是球形的证据。早在 2000 多年前的古希腊时代，亚里士多德就提出了三条球形大地的证据：

第一个证据：在海上看远远向着自己开来的帆船，总是先看到帆船的桅杆，再看到船身。

第二个证据：朝着北极星的方向一直走，那么就会观察到，前方就会慢慢升起一些星星，而身后会落下一些星星。

第三个证据：发生月食的时候，地球在月球上投下的阴影，边缘是一根弧线。

其实，只要有了一些最基础的几何学知识，就很容易找到球形大地的证据。

我举个例子，我们学过平面几何都知道，平面上的一个三角形，内角和是 180 度，这很容易证明。但如果我们在篮球上画一个三角形，它的内角和就不再是 180 度了，而是大于 180 度。如果我们在地球上画出一个这样巨大的三角形，它的内角和可以达到 230°。所以，我们只要在相距很远的三个点上树立几根标杆，然后测量在地球表面上形成的三角形的内角，把它们相加，只要内角和大于 180 度，就可以证明大地不是平直的。甚至，可以通过内角和是多少度来计算出大地的曲率是多少。

我跟你讲这些，只是为了向你证明，我们虽然身处宇宙中，但科学家们可以找到很多办法来测量宇宙空间的曲率。当然，科学家们具体采用的方法并不是普通人很容易理解的方法，要比测量三角形的内角和复杂得多，但也精确得多。

02 BOSS 发话：宇宙是平的？！

从 2009 年开始，有一项由美国主导的大型宇宙空间曲率的观测项目启动，这个项目的全称我说出来没人记得住，叫什么重子振动分光镜勘测，它的科学原理也极其复杂，一点不脸红地说，我也看不懂。但是，这个项目的英文简称却特别好记，就是 BOSS，跟英文“老板”的拼写是一样的。

BOSS 使用望远镜焦平面上的 2,000 个插板，捕捉数百万个天体的精确光谱

2014 年 1 月，BOSS 宣布：从大尺度上来看，我们的宇宙空间异乎寻常的平直。

换句话说，BOSS 穷尽了自己的所有观测手段，也没能看到宇宙空间有一丝一毫的弯曲，且误差只有 1%。如果翻译成人话就是：我有 99% 的把握说，在我的观测能力下，宇宙是完全平坦的。

在我们科普圈，有一句名言：非同寻常的主张需要非同寻常的证据。这也是我最喜欢挂在嘴边的一句。不管是主张宇宙空间是弯曲的，还是平直的，其实，都算是非同寻常的主张，都需要有过硬的证据才行。

只有 BOSS 的一项证据是不够的。我们还需要更多的证据，并且，这个证据最好还是来自于不同的测量方法，这样就更有独立性。测量宇宙的空间曲率还有什么办法呢？

03 广义相对论出手了

还有一个间接的方法，虽然间接，但物理学家们都认为这个方法很靠谱，因为这个方法是根据爱因斯坦的广义相对论推理出来的方法。换句话说，只要广义相对论是对的，这个方法就是很靠谱的，除非广义相对论本身是错误的。

但广义相对论实在是太成功了，迄今为止，广义相对论做出的几乎所有预言都被一一证实了。可能你有所不知，像宇宙微波背景辐射、中子星、黑洞、恒星演化的过程、星系演化的过程这些都是广义相对论的预言，它们都被天文观测证实。

WMAP 测定的宇宙微波背景辐射

2016 年，广义相对论的另外一个最重要的预言，也就是引力波被证实时，广义相对论可以说已经走向了神坛，它已经成了物理学中最成功的理论，没有之一。根据广义相对论，质量和能量都能让空间发生弯曲。

2016 年科学家首次直接探测到引力波

那么我们只要统计一下宇宙里大概有多少的质能，就可以知道空间是怎么弯曲的。科学家把已知的可见物质，还有像什么暗物质、暗能量这些质能都加在一起，就可以测量出宇宙的质能密度。总之，你只要知道，我们现在把宇宙中所有的质量和能量全部考虑进去，用广义相对论，可以计算出“临界质能密度”，然后把观测的质能密度除以临界质能密度，得到一个数值，用希腊字母 Ω 表示。

如果 Ω1，那就说明宇宙里物质比较多，引力比较大，宇宙空间的曲率就是正的，那么宇宙就像一个球一样弯曲；如果 Ω1，那就说明物质比较少，引力比较小，那么宇宙就会是一个像马鞍形一样的空间，是开放的。如果 Ω 恰好等于 1，说明宇宙就是完全平坦的，没有一丝一毫的弯曲。

04 令人震惊的 Ω 值

差不多从 2000 年开始，人类就不断地发射可以测量宇宙质能密度的天文探测卫星上天，像什么威尔金森探测器、WMAP 探测器、普朗克卫星等等，都具备这个功能。然后，你们可以猜猜看，测量结果是什么？

让科学家们都感到很不可思议的是，所有的探测器返回的结果，Ω 都是 1，我们无论怎么提高探测精度，都是同样的结果。这是不是有点儿像科幻小说《三体》的情节？人类首次遇到三体文明的探测器，长得像一颗水滴，它的表面无限光滑，无论我们怎么放大它的表面，看到的都是完全光滑的表面。

科幻小说《三体》中虚构的水滴

这里岔开一句话，其实这个创意最早自于阿瑟·克拉克的科幻小说《2001 太空漫游》，说外星人在月球上树立了一块黑色的碑，这块碑的长、宽、高之比是一个固定的数值 1:4:9，无论地球人用多么高的精度去测量，这个比值都是纹丝不动的，外星人就是用这种方式来展示他们文明的强大。

现在，人类测量 Ω 的数值就很像是科幻小说中的这个情节，无论我们怎么提高探测精度，Ω 都锁死在 1 上，宇宙就是用这种方式向我们展示了它神秘莫测的性质。那我们现在的精度到底到了多少呢？是 ±0.4%。换句话说，人类已经把 Ω 的数值锁定在 1 ± 0.004 这个数值上。你可能会觉得 0.004 看上去，精度也不算很高嘛，其实这个精度很高，我换个讲法，你可能就能理解这个精度有多高了。

Ω= 1 我们可以近似地理解为，整个宇宙，平均来说，在每立方米的空间中恰好拥有 5 个氢原子。我们不妨再做个数量上的类比转换。假设我们把一个氢原子放大到一颗绿豆那么大，然后，我们在地球上造一个边长为 500 公里的巨大立方体，把这 5 颗绿豆放进去。现在我们的测量精度是说，在这个空间中，是 5 ± 0.004 颗绿豆。你体会一下这个测量精度，是不是已经很厉害了？

如果我们的宇宙是不平坦的（左/右），那么我们在 CMBR 中看到的宇宙相较于当前宇宙会出现扭曲

因为测量精度已经到这种程度了，所以，现在越来越多的宇宙学家都开始转向支持平坦宇宙假说，并且已经成为了今天的主流。既然宇宙是完全平坦的，那我们只能认为，宇宙是无限大的，你朝宇宙的任意一个方向一直飞下去，永远永远也飞不到尽头，这就是科学共同体当下对宇宙大小的最新理解。

当然，看到这里，我猜还是会有很多人对无限大这个概念感到不可思议，怎么就能无穷无尽，无限下去呢？保持这个悬念，我们下期再聊。