無論理論有多麼精妙，實驗數據都將是最後一句話！對行星逆行運動的觀察是哥白尼日心說公轉的基礎，在哥白尼日心說中，太陽在太陽系的中心取代了地球，即推翻了地心說，水星不同尋常的軌道為廣義相對論驗證提供了又一個證實。事實上，我們對宇宙的全部理解都是建立在觀察到的基礎之上。現在發表在《自然天文學》期刊上的新研究已經得出了一個結論，如果得到證實，可能會引發宇宙學危機。研究表明，宇宙的形狀可能是彎曲的，而不是像先前認為的那樣是平坦的。
在彎曲宇宙中，無論朝哪個方向旅行，都會在起點結束，就像在球體上一樣，雖然宇宙有四個維度，包括時間維度。這一結果是基於普朗克衛星對宇宙微波背景的測量，宇宙微波背景是大爆炸遺留下來的。根據愛因斯坦的廣義相對論，質量扭曲了它周圍的空間和時間。因此，光線明顯地繞著一個巨大的物體轉了一半圈甚至更多，而不是沿直線傳播，這種效應被稱為引力透鏡效應。普朗克數據中這樣的透鏡，比應該存在的要多得多，這意味著宇宙中可能包含比我們想象要多得多的暗物質。
如重大修改，將讓人頭疼
在研究中證明了封閉宇宙可以為這一效應提供物理解釋，因為它能夠容納比平坦宇宙更多的暗物質，這樣的宇宙與廣義相對論是完全相容的。然而，並不是所有宇宙學家都認可封閉的宇宙。如果球狀宇宙是透鏡異常的解決方案，那麼必須處理幾個重要的後果。首先必須修改宇宙學的一個基本基石：宇宙膨脹理論。膨脹描述了大爆炸後的第一個瞬間，預測了原始宇宙的指數膨脹時期。這個理論是在過去40年裡發展起來，當它們相距太遠而不能接觸的時候，用來解釋為什麼宇宙中遙遠的部分看起來相同，溫度也一樣。
膨脹解決了這個問題，因為它意味著宇宙中遙遠的區域曾經是相連的，但是將這些區域分開的快速膨脹時期，也被認為是將宇宙精確地平坦的原因之一。如果宇宙是封閉的，標準膨脹就有麻煩了，這意味著將失去標準解釋，為什麼宇宙有它所擁有的結構？一旦假設宇宙是彎曲的，普朗克數據基本上與所有其他數據集不一致。正如在研究論文中所述的，這一切都歸結為宇宙學的真正危機。出於這些原因，宇宙學家非常謹慎，許多宇宙學家更願意將結果歸因於統計上的僥倖，當來自未來實驗的新數據可用時，統計僥倖就會得到解決。
那會不會是錯了？
這當然有可能被證明是錯誤的，但是，在該研究的研究人員看來，有一個主要原因，為什麼不應該僅僅丟棄這種反常現象。在粒子物理學中，一個發現應該達到至少五個“西格瑪”的精確度，才能被社區的同行接受。在本研究中，只是略高於三個西格瑪，所以顯然低於這個接受水平。但是，雖然粒子物理的標準模型是基於已知和已證實的物理，但標準宇宙學模型是基於未知的物理。目前宇宙學三大支柱：暗物質、暗能量和宇宙膨脹的物理證據完全來自宇宙學，它們的存在可以解釋許多天體物理觀測。
但是它們既不是在最小尺度上支配宇宙的粒子物理學標準模型中，也不是在大尺度上運行的廣義相對論中被期望。相反，這些物質屬於未知物理學領域，沒有人在實驗室或其他地方見過暗物質、暗能量或膨脹。因此，雖然粒子物理學中的異常可以被視為我們可能需要全新物理學的暗示，但宇宙學中的異常應該被視為我們必須揭示完全未知物理的唯一方式。因此，該研究發現最有趣的結果不是宇宙看起來是彎曲不是平坦的，而是它可能迫使我們以一種完全不同的方式重新排列宇宙拼圖的碎片。
博科園｜文：Eleonora Di Valentino/The Conversation
參考期刊《自然天文學》
DOI: 10.1038/s41550-019-0906-9
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