宇宙幾乎是平直的，計算結果是在0.4%的精確度之內，你能接受嗎？

有句話說：如果一個人說宇宙是有限大的，那說明他應該具有一定的科學常識，而如果他說宇宙是無限大的，那就有兩種可能，一種可能是他對現代科學一無所知，一種可能是他對現代科學非常的了解。

如果你說宇宙是平的，肯定會有人說:我信你個鬼！

在古代，人們都認為宇宙是有限的一個圓，我們就生活在這個圓之內，天上的星星就是鑲嵌在這個圓的頂上。他們認為宇宙是有限大並且是有邊界的。

後來隨著人們對宇宙增加了認識，看法也發生了改變，根據宇宙大爆炸理論，宇宙有一個開始就應該有一個結束，廣義相對論又告訴我們「時空是可以彎曲的」，於是人們推測宇宙也許就是一個彎曲的有限的巨大空間，但是宇宙是沒有邊界的。

這個有限大又沒有邊界如何理解？想像一下，我們在地球的表面上，地球的表面積雖然有限，但我們在上面並沒有感覺到它是有邊界的，無論你往哪裡走，總能循環回到原點，因為地球是&34;的。那麼我們的宇宙也同樣是一個彎曲的空間，雖然它是有限大，但是也一樣是沒有邊界的。不過，宇宙的空間並不像地球表面一樣是二維的，它是一個三維的彎曲空間，就像一個三維的球體一樣。這樣的宇宙模型就是十多年前科學家們想像的宇宙模型。霍金在他的《時間簡史》裡描述的宇宙空間模型就是這樣子。

在這個恆定的有限的彎曲宇宙模型裡，本來大家生活得好好的，並沒有覺得有什麼異常，可說是歲月靜好。然而，到了20世紀90年代中期，科學家們的一些新的發現，似乎在平靜的海面上掀起了一個巨大的波瀾。

這事與愛因斯坦的廣義相對論有關，所以我們得從它說起。

上面我們說到愛因斯坦的廣義相對論告訴我們空間是可以彎曲的，他的引力場方程允許空間曲率存在。就是說空間曲率可以是正值，也可以是0或者是負值。

如果空間曲率為0，那對應的空間就是平坦的也是無限延伸的;如果空間曲率是負值，那空間就像一個無限大的馬鞍形;如果空間曲率為正值，則空間就是一個有限大的球形。

我們如果知道宇宙的空間曲率，就可以知道宇宙是怎樣形狀的。可是，宇宙這麼大，如何才能測得出它的空間曲率是多少呢？根據廣義相對論，質量和能量可以讓空間彎曲，那麼我們只要統計一下宇宙裡大概有多少的質能就可以知道空間是怎麼彎曲的了。於是天文學家們想到了一個辦法。就是用宇宙中所有的物質的平均密度與臨界質能密度作比較。這個「臨界質能密度」也是出自愛因斯坦的場方程中，他表示的是維持宇宙處於0曲率空間時所需要的確切宇宙物質密度。

宇宙中所有物質的平均密度與臨界質能密度的比值，用希臘字母Ω表示。如果Ω大於1，則說明宇宙物質比較多，空間的曲率是正的，宇宙是一個三維球狀體；如果Ω小於1，那麼說明物質比較少，空間曲率為負值，宇宙就像一個馬鞍形；如果 Ω等於1，則空間曲率為0，宇宙空間就是平坦的。

只要Ω值大於1，空間就是有限的，而Ω值等於或小於1，宇宙空間就無法閉合，就是無限大的。這個Ω值不僅能體現空間的曲率，還可以推論出宇宙是坍縮還是膨脹的。Ω小於或等於1，那麼宇宙將永遠膨脹下去，如果Ω大於1，那麼宇宙最終會停止膨脹，轉而開始坍縮。

1915年，當時愛因斯坦廣義相對論出後，他對此就曾經非常的困惑。他的引力場方程得出的解就是，宇宙要不是坍縮的要不是膨脹的，反正就不是一個穩態恆定的宇宙。這對當時的人們來說是一個非常反常識的觀點。宇宙怎麼可能是動態的呢？這個愛因斯坦當時也接受不了。

為了讓宇宙是一個穩態恆定的狀態，愛因斯坦於1917年在他的場方程中加上了一個常數Λ，這個常數是起排斥力的反引力，以平衡引力的作用。這個常數後來就稱為宇宙常數。這個常數如果有一個特定值，那麼宇宙就是穩態恆定的，愛因斯坦也就放心了。

但是這個常數是從哪裡來？他的根據是什麼？愛因斯坦也說不清楚。後來弗裡德曼證明了愛因斯坦的引力場方程就是個不穩定的方程。他的學生德.西特還證明，哪怕是宇宙中空無一物，只需要這個常數的能量就能驅動宇宙在膨脹。

這讓愛因斯坦開始不安起來，難道宇宙真的是在膨脹嗎？

一直到了1929年，哈勃通過望遠鏡的觀察，並從光譜的對比中發現星際紅移現象，就是說遠處的星系在遠離我們，加上他系統的計算得到了確證，宇宙確實是在膨脹的。這時愛因斯坦才不得不接受這個現實，於是他只好把「宇宙常數」從方程中卸了下來。

本來愛因斯坦可以從他的方程中推出宇宙是膨脹的，可是他錯過了一次偉大的發現，當時他在朋友圈發了一句話「這是我一生中最大的錯誤！」。

「宇宙常數」為0，就是說宇宙的真空中是沒有任何能量的，這也成了當時科學家們的共識。

到了20世紀90年代中期，宇宙學家們把宇宙中探測到的所有物質算出來，再加上暗物質，它們的平均密度也只有臨界質能密度的四分之一左右。這意味著宇宙是一個負曲率的空間。也意味著宇宙是永遠膨脹下去的。

這個結論，在當時其中一些科學家就表示不服，這一派的科學家他們是認可暴脹理論的。暴脹理論認為空間在極其短暫的時間裡超急速膨脹，必然造就一個平坦空間的宇宙，它的曲率既不是負數也不是正數，它應該恰恰就是0。

要保證宇宙是一個平坦的空間，宇宙中的物質的總密度必須要達到臨界質能密度，但是現在計算出來的物質密度加起來也才是這個值的四份之一，宇宙是一個負曲率的空間，這個怎麼可能呢？這些科學家堅信，暴脹理論不可能是錯誤的，宇宙中應該還會有哪些物質或能量被忽略了。於是他們繼續尋找......

到了1988年，也就是愛因斯坦死後43年，歷史繞了一圈，科學家們的世界觀又得重新改了一次。

兩個分別由派爾穆特和施密特領導的相互競爭的天文學家團隊，宣布了他們觀測的結果：他們認為，宇宙的確應該有一個常數，並且宇宙常數並不為0！此時如果愛因斯坦活過來，不知道應該在朋友圈發一個怎麼樣的心情。

他們在對50個LA型超新星的觀測中發現，它們遠離地球的速度比理論計算出來速度還要快，並且離我們越遠的LA型超新星，離開我們的速度就越快。這意味著，有某種不可知的力量讓宇宙膨脹的速度變快了。

這種不可知的能量充斥於我們宇宙每立方釐米的真空中，所以真空中的能量並不是一無所有，宇宙常數並不是０。這種不可知的能量後來也被稱作暗能量。

愛因斯坦的質能守恆方程中：Ｅ＝MC^2，說明物質和能量是可以相互轉化的。那麼我們計算宇宙中的物質密度時，除了可觀測的物質和暗物質外，還得加上暗能量轉化的物質。

可觀測物質和暗物質密度與臨界質能密度的比值表示為一個值ΩM，暗能量轉化的物質密度與臨界質能密度的比值表示為ΩΛ。那麼如果空間是平坦的，空間曲率是0，那麼ΩM＋ΩΛ就應該等於1。

最後科學家們計算出來的值是：ΩM＋ΩΛ=1 ± 0.004，也就是在0.4%的精確度之內，這說明宇宙空間幾乎是平的。這個「平」當然並不是像平底鍋那樣的那個「平」，而是表示宇宙沒有彎曲的意思，宇宙空間是三維立體的，所謂的平直就像一個立方體一樣是平直伸展的，而不是像球體一樣彎曲的。

到此時，如果還有人懷疑宇宙空間是平坦的話，到了２００３年，WMAP衛星通過對宇宙微波背景輻射觀測的數據，繪製出來的圖形幾乎就打消了所有人的疑慮。

宇宙的空間曲率假設是負值或是正值，彎曲的空間就會影響從中經過的輻射，那麼觀測到的宇宙微波背景輻射就不應該是平滑的。如下圖所示：

但是WMAP衛星觀測到的宇宙微波背景輻射就是一個非常平滑的圖像，除非我們再將測量精確度提高到十萬分之一，才能觀察到出現一丁點的起伏。

後來這種宇宙空間是平坦的觀察證據越來越多。最新的一個結果是，在2０１３年底由」重子振動分光鏡勘測（BＯＳＳ）發現，他們於2014年1月份也同樣宣布：在大尺度上，宇宙空間是「異乎尋常的平直「。BＯＳＳ項目負責人大衛.施萊格爾說，我們關心宇宙是不是平的，這關係到宇宙是有限大還是無限大，而「我們觀測結果和無限大的宇宙相吻合。」

宇宙是平坦的，是無限大的，這非常令人費解，但是目前科學家們觀測到的事實就是這樣，你能接受這個結論嗎？

本文參加【科學V計劃】，內容為作者原創。