宇宙是平的是什么意思？

宇宙扁度的问题可以从临界密度和三角几何两个方面来理解。

简单来说，宇宙是一个时间和空间的四维空间，其中包含的物质和能量会产生引力场，使四维空间变形。远古的光，尤其是宇宙大爆炸后37.6万年发出的微波，应该是在654.38+03.7亿年后，在到达地球的途中，被这个变形的四维空间弯曲了，而不是我们已经测量到的，以直线形式传输到我们无线电耳中的微波。

我们现在的宇宙，包含了物质加能量的密度，非常接近1的临界密度。相对论表明临界密度为1的宇宙具有度量和直线性的四维空间特征，微波在这个宇宙中是直线传播的。

科学家们喜欢用1的临界密度来描述我们宇宙的扁平之谜，这是基于相对论指导下的一个简单公式:

(ω0-1-1)ρa2 =-3κC2/8πG

我们不需要知道这个揭示宇宙终极奥秘的公式是怎么来的，但它确实是20世纪人类最聪明智慧的结晶。我们无法知道贝多芬是如何创作出《命运交响曲》的，但我们仍然可以听得入迷。让我们一起来欣赏这个公式吧！

在这个公式中，ω 0(读作omega zero)是临界密度，κ(读作kappa)是宇宙的曲率。现在测得的数据显示，我们宇宙的临界密度ω 0非常接近1，使得曲率κ值非常接近0。结论:我们的宇宙是平的！

对于外人来说，临界密度太抽象，用平面几何解释宇宙的扁平现象更直接，更容易理解。

根据中学平面几何，平面上一个三角形的三个内角加起来是180度。在球面上画一个三角形，三个内角加起来超过180度。在马鞍上画一个三角形，三个内角加起来小于180度。所以，如果能在宇宙中画出一个几百亿光年的超大三角形，并测出它的三个内角，就可以判断我们的宇宙是不是直的(图1)。

球形宇宙是指内禀函数相等的总质量产生的引力场足够大，临界密度大于1，宇宙最终会在一次大坍缩中终结。马鞍型宇宙是指内禀函数相等的总质量产生的引力场不够大，临界密度小于1，宇宙最终会以一个大裂口结束。扁宇宙的临界密度等于1，正好让宇宙走向不撕裂不坍缩的状态。

但是，我们生活在一个小小的地球上，如何在宇宙中找到一个数十亿光年大小的三角形，如何精确测量它的三个内角之和？回答，是！这是来自宇宙的善意回报。

回到宇宙大爆炸376000年后的微波(图2)。虽然这个微波分布极其均匀，但还是有65438+万分之一的变化。这种微妙的变化是在微波出发之前，宇宙的引力场和当时无处不在的等离子体斗争的结果。人类已经完全掌握了这种声振荡现象，理论上计算出微波不均匀性的线性大小为37.6万光年。37.6万光年是我们远离宇宙边缘的一个标准尺度。654.38+03.7亿年后，如果这把尺子的张角约等于654.38+0度，则确认这个狭长三角形的总内角为654.38+080度，我们的宇宙是直的；如果张角大于1度，三角形内角之和大于180度，我们的宇宙是球形的；如果张角小于1度，则三角形内角之和小于180度，我们的宇宙是马鞍形的。

人类集结了所有的力量，投入了大量的资金，派出了几颗昂贵的卫星，还有南极周边的高空气球探测器，仔细测量了这个标准尺度各个方向的张角。结果没错，张角约为1度。我们的宇宙是平的！

人类大概觉得太幸运了，一直在问，为什么这么巧？我们的宇宙是专门为人类设计的吗？当然，人类在宇宙中有崇高的地位，但谦虚一点更好。我觉得这种说法应该反过来说:是因为宇宙是直的，临界密度接近1，宇宙环境没有起伏，生命特别友好和关爱，人类才有机会起源、发展智慧和文明，提出这样伟大的问题。在远离临界密度1的宇宙中，宇宙中的物质来回折腾，根本没有时间凝聚。恒星和星系最好的情况是死产，生命永远无法起源。宇宙是不是直的，有没有视界问题，都是没有意义的。

如何解决宇宙视界的问题？宇宙的直线性是怎么来的？

通货膨胀论

古思出生于1947，是二战后婴儿潮的急先锋。麻省理工毕业后，就业市场拥挤，他一意孤行，只攻重大物理问题，发表的论文数量稀少。但是用人单位知道他才华横溢，就把他从一个博士后调到了另一个博士后。八年后，他被调到斯坦福研究所，仍然是一名前途光明的博士后。

在博士后后期，古斯创立了暴胀理论，最初的动机是为了解决磁单极子这个历史未解的难题。粒子物理学的理论认为磁单极子应该无处不在，但人类一直在努力寻找。他用膨胀理论解释说，在大爆炸的初始阶段，宇宙膨胀，体积增大，稀释了磁单极子的密度。在我们能看到的宇宙范围内，能被赋值的磁单极只有几个，遇到一个的概率太低，无法同舟共济。人类很有可能永远没有机会遇到磁单极子。

在暴胀理论圆满解释了人类无法测量磁单极子的原因后，古人的思维闪现。同样的理论不也可以用来解释宇宙的视界和直度吗？他迅速在红色笔记本的上方写下“壮观的实现”，并用钢笔将句子框起来。解决磁单极子问题当然是物理学的一件大事，但相对于视界和直线度这两个宇宙问题来说，还是杯水车薪。

1981年暴胀理论发表后，各大学争抢古思，最后母校把他接了回来。现为麻省理工学院教授，获得多项国际奖项，诺贝尔奖有望。

他的“大发现”笔记本后来被芝加哥博物馆收藏并展出。

根据暴胀理论，从大爆炸开始后的10-35秒到10-32秒，宇宙发生了奇迹，在10-33秒内以光速膨胀了1050倍。神奇的能量来自古思不知道的“假真空”产生的最高暗能量。他提出这种暗能量是由他假设的膨胀提供的。

在超高伪真空能量驱动下，速度不受光速限制。新爆炸的宇宙临界密度可能只在小数点后62位(| ω 0-1 | ~ 10-62)与1不同，接近理想化的1。暴胀后，伪真空能量耗尽，衰变成我们在宇宙中熟悉的温和低真空能量。在这个低真空能量的宇宙中，临界密度可能会稍微偏离1，我们必须按照相对论的规则行事，光速是恒定的，不能被超过。

在大爆炸10-35秒之前，整个宇宙包含的质量很小，处于非常小的周期。光速轻松穿越，物质能量混合均匀。在超光速膨胀的过程中，均匀性猝不及防，来不及变得不均匀。暴胀之后，宇宙的各个部分都超出了彼此的视界，形成了未来宇宙微波视界的奇怪现象。宇宙视界的问题就这么容易解决了。但暴胀理论中存在量子涨落预言，20世纪初精确测得的65438+1的微波不均匀性为暴胀理论提供了有力的证据。

至于宇宙的扁平，用暴胀理论解释就更容易了。伪真空可以在10-33秒内将宇宙膨胀1050倍，整个膨胀宇宙的体积至少比我们所能看到的宇宙大1023倍。由于其巨大的体积，我们这一小部分宇宙看起来异常的直。就像人在地球表面，都是平的，但在遥远的宏观卫星轨道上，地球的曲率清晰地显现出来。

事实上，暴胀理论将每一个可观测的有限宇宙暴胀成一个临界密度接近1的扁平宇宙。如果你是超人，你可以到我们宇宙之外的其他宇宙去旅行，更不用说看不见的宇宙了，但是只要你看到一个宇宙，那一定是直的宇宙，绝对不会忽悠。这是因为每一个可观测的有限宇宙都经历了凝聚、核转变、发光、中子星、黑洞等过程。在宇宙的进化史上，它至少经历了100亿年的沧桑。只有临界密度接近1的宇宙，才能提供这样的水平和稳定的发展环境。

但暴胀理论中的超大宇宙临界密度可能与1不同。在整个宇宙中，日日夜夜，随时随地，膨胀，此起彼伏，无止境的相互作用，生死轮回，有始有终却无止境。在这个超大宇宙中，临界密度瞬息万变，量子力学在指挥，上帝无处可见。

蜘蛛的线和马的踪迹——线索

我们宇宙之外的宇宙是看不见摸不着的，这是哲学的一个话题。暴胀理论以严谨的科学量子场论，漂亮地解决了视界和平坦度这两个宇宙难题，同时在同样坚实的科学基础上，创造了一个比我们的宇宙至少大1023倍的超大宇宙。

我们有没有希望瞥见这个科学宇宙，并探测到它的存在？

鲸鱼从海平面上一跃而起，扎回水面，激起了成千上万的浪花。地壳板块的错位会引起地震波甚至海啸。超音速飞机突破音障，声震传得很远。核弹爆炸了，冲击波传遍了全世界。

只要有能量释放，就会有冲击波产生和传播，因果分明。

宇宙膨胀是超高能量释放的大动作，必然在空间留下波。该波以重力波为主，以光速传播到巨大的宇宙中(图3)。暴胀理论预言，就像我们的宇宙有微波背景辐射一样，这种重力波也会传播到整个宇宙，形成宇宙重力波背景辐射(CGWBR)。它公平地对待所有孤立的小宇宙，不考虑临界密度值，不考虑优劣，一视同仁地广播到户。

事实上，爱因斯坦的相对论早就预言了重力波的存在。超新星爆炸、黑洞诞生和星系间碰撞都可以引发重力波。然而，膨胀理论通过上一层楼梯，以超高的伪真空能量，激发了另一个不同重力波的波段，在更大的宇宙模式中传播和波动。

所以探测到这种与爱因斯坦不同波段的重力波，至少可以说明暴胀理论可能是对的，同时也不能否认那个巨大宇宙的存在。

测量重力波并不容易。人类再一次筹集资金，计划用15亿美元制造一个随地球在太阳轨道飞行的太空激光干涉仪天线(LISA)。这种天线呈三角形结构，每边500万公里，距离太阳一个天文单位，但其轨道跟随地球20度，倾角60度。这是人类最灵敏的重力波测量仪。预计在2018-2020之间推出。

LISA的灵敏度可能还不能完全满足暴胀理论的需要，未来还需要更灵敏的重力波干涉仪。然而，即使重力波信号微弱，难以测量，暴胀理论还有另一个预言:暴胀后产生的重力波可以作用于宇宙的电磁背景微波，使微波极化。一般的光都可以通过光栅偏振，有些太阳镜就是根据这个原理设计的。因此，精确测量图2中微波的极化值与重力波探测一样重要。2009年第一季度，人类将发射普朗克卫星，其重要任务之一就是精确测量宇宙微波背景辐射的偏振值。

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古思用暴胀理论成功地解释了我们宇宙中的视界和直度这两个难题，但他也拉出了一个有外太空和外太空的庞大宇宙。暴胀理论预言，我们这个直径为930亿光年的小而有限的宇宙，与直径为1023倍的巨大宇宙共享着相同的重力波背景辐射，而这种重力波可以影响微波的偏振值。所以，如果有外太空，人类必须测量这种重力波和偏振现象。获得这两个物理数据，虽然不能完全证明存在另一个世界，但肯定不能否认它的存在。

目前暴胀理论有50多个版本，宇宙之外的宇宙是无形的，看不见的，想象空间巨大。重力波，两极分化，家家有本村的说法，百花齐放，百鸟争鸣，人气滚滚，制造了一个科学大场面。