宇宙微波背景辐射揭示了什么？原来我们生活在一个平坦的宇宙

来源：物理研究更新
作者：大锅天眼

首先，我们要明白什么是平坦的空间。简单来说，就是在这个空间里，两条平行线永远不会相交，而且三角形的内角之和恒等于180度。这就是我们熟悉的欧几里德几何学所描述的空间。

但是，在爱因斯坦提出广义相对论之后，我们知道了空间并不总是平坦的。由于物质和能量会弯曲时空，所以在物质和能量密度很高的地方，比如黑洞附近，空间就会变得弯曲。在弯曲的空间里，两条平行线可能会相交或者分开，而且三角形的内角之和可能大于或者小于180度。

那么，在整个宇宙尺度上，空间到底是平坦的还是弯曲的呢？这个问题其实取决于物质和能量密度。根据广义相对论和弗里德曼方程，可以计算出一个临界密度值。如果实际测得的密度等于这个临界值，则说明整个宇宙空间是平坦的；如果测得密度大于临界值，则说明整个宇宙空间是闭合球面形状；如果测得密度小于临界值，则说明整个宇宙空间是马鞍面形状。

那么，我们如何测量宇宙的密度呢？这就要用到一个非常重要的观测对象：宇宙微波背景辐射（CMB）。简单来说，CMB就是宇宙最初发出的光线。我们知道，早期的宇宙由炽热而致密的电子、重子等离子体组成，光子在其中穿行不息。由于电子与质子通过库伦作用相耦合、光子与电子通过康普顿散射相耦合，故彼此之间无法相互远离，整体上形成了相对论性的高速流体。

大约30万年过去，随着宇宙的膨胀，等离子体温度降低至3000K（约0.26eV），自由电子与质子结合形成中性氢原子，光子退耦合，得以在宇宙中自由地穿行。这些光子就是我们今天观测到的CMB。由于红移效应，这些光子现在已经变成了微波。

CMB对于研究宇宙学有很多好处。首先，CMB是最古老的信号，可以反映出早期宇宙的状态和结构；其次，CMB是最均匀和各向同性的信号，在大尺度上没有受到后期物质分布和演化的影响；第三，CMB可以提供很多关于物理学基本参数和模型检验的信息。

其中一个最重要的信息就是关于空间曲率或者说空间平坦度。如果我们能够测量出CMB在不同角度上温度涨落或者说功率谱，那么我们就可以推断出空间曲率。因为根据广义相对论，在弯曲空间里面传播的光线会发生弯曲，从而影响我们观测到的角度。如果空间是闭合球面形状，那么光线会被聚焦，我们观测到的角度会变小；如果空间是马鞍面形状，那么光线会被发散，我们观测到的角度会变大；如果空间是平坦的，那么光线不会弯曲，我们观测到的角度就是真实的。

这样一来，我们就可以通过比较CMB功率谱上不同波数（即倒数角度）对应的幅值与理论预期之间的差异来判断空间曲率。如果实际测得的幅值比理论预期高，则说明空间是闭合球面形状；如果实际测得的幅值比理论预期低，则说明空间是马鞍面形状；如果实际测得的幅值与理论预期相符，则说明空间是平坦的。

那么，在过去几十年里，天文学家们利用各种卫星和望远镜对CMB进行了精密观测和分析。最新发布于2020年7月份的普朗克卫星数据给出了一个非常精确且令人惊讶的结果：宇宙总密度与临界密度之比为1.0007±0.0016。这意味着宇宙总密度几乎等于临界密度，而且在误差范围内包含了临界密度。因此，根据CMB功率谱所揭示出来的信息，我们可以断定：我们生活在一个平坦或者近似平坦的宇宙！

这个结果对于我们理解宇宙的起源和演化有着重要的意义。如果宇宙是平坦的，那么就说明在初始时刻，宇宙必须具有非常精细调节的密度和膨胀速率，才能保持平坦度不变。这种精细调节似乎太过巧合，让人难以接受。因此，物理学家们提出了一个更加优雅和自然的解释：暴涨理论。

暴涨理论认为，在大爆炸之后的极短时间内（约10^-36秒），宇宙经历了一段指数级别的快速膨胀阶段，将原本弯曲或者不规则的空间拉伸到了平坦或者近似平坦。这样一来，就可以避免对初始条件的精细调节，而且可以解释CMB功率谱上观测到的微小涨落。

当然，暴涨理论还没有得到实验或者观测上的确凿证据，还存在很多不同版本和争议。但是，无论如何，CMB功率谱已经给我们提供了一个非常强有力且难以否认的线索：我们生活在一个平坦或者近似平坦的宇宙！

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编辑：六块钱的鱼