撰文：伊丽莎白.瑞恩             2022年11月13日

宇宙可能是巨大的，但研究人员有多个证据可以揭示它的形状。（图片：林伟全，盖蒂图片社）

宇宙看似不成形，因为它是如此巨大，但它确实有一种天文学家可以观察到的形状。那么，它究竟是什么样子？

物理学家认为宇宙是平的。专家告诉《生活科学》，有几条证据指向这个扁平的宇宙：大爆炸遗留下来的光线、不同位置的宇宙膨胀速度，以及从不同角度观察宇宙的方式。

理论天体物理学家、普林斯顿大学天体物理学名誉教授大卫·斯佩格尔，十年来一直在探索宇宙的形状。在2003年发表在《天体物理学杂志》上的一项研究中，斯佩格尔测量了宇宙微波背景（CMB）中的不规则性，宇宙微波背景是大爆炸遗留下来的光，由美国宇航局的威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）观察到，后来由欧洲航天局的普朗克飞船观察到。

在平坦的宇宙中，正能量和负能量的数量完全相同，因此相互抵消。如果宇宙有曲率，其中一个会比另一个高。“平坦的宇宙对应于零能量的宇宙，”斯佩格尔告诉《生活科学》。

在这种情况下，WMAP对CMB波动的测量，表明宇宙是无限的和平坦的。斯佩格尔还将这些测量结果与欧洲航天局的普朗克飞船进行了比较，后者进一步限制了宇宙可能的形状。

斯佩格尔说：“我们可以用一些不确定度来测量曲率，所以我们可以说曲率是零，但有一些不确定。虽然我们可以降低不确定性，但我们最多只能约束几何体。”

斯佩格尔认为宇宙是平的另一个原因，是它的快速膨胀，这被哈勃常数捕捉到。因为宇宙从一个紧密的物质球开始，到以惊人的速度向外扩张，所有的拉伸都使它变得平坦，或者至少尽可能接近平坦。

宇宙平坦的证据也出现在所谓的临界密度中。澳大利亚斯温伯恩理工大学表示，在临界密度下，假设的宇宙将是平坦的而且最终会停止膨胀，但只有在无限长的时间之后才会停止。如果一个假想的宇宙比这个密度更大，它会像一个球体一样弯曲，并最终由于重力而塌陷，这是一种被称为“大坍塌”的现象。

但对我们真实宇宙的所有测量，都表明它刚好低于临界密度，这意味着宇宙是平的，并且会无限膨胀。

然而，另一条证据表明宇宙是平的：它是各向同性的，这意味着从各个角度看都是一样的。俄罗斯核研究所的物理学家安东·丘达伊金，和同事们研究了规则物质或“重子”物质的振荡数据，以及大爆炸后不久，重于氢的原子核是如何产生的模型，以估计宇宙的曲率。

丘达伊金告诉《生活科学》记者：“在不同的几何结构中，物质和光的演化是不同的，这使得我们能够从观测数据中提取出宇宙的三维形状。”

这项发表在《物理评论D》杂志上的研究发现，在0.2%的精确度范围内，宇宙是平坦的。研究人员在研究中写道：“我们收集的数据表明，空间曲率与零一致，这意味着我们在统计不确定性范围内的宇宙是无限的。”