宇宙空间形状示意图
当这个神秘数字从5.7变成6，我们对宇宙形状的猜想也就改变了……
对于宇宙的形状，物理学家曾经有着诸多想象。现在，一项最新研究通过对普朗克卫星的数据分析指出，宇宙可能是一个封闭的三维球面。这推翻了近年来的一个主流观点，即宇宙是无边无际的平坦三维空间。而这个全新结论的得出，涉及到一个决定了宇宙形状的关键数字：宇宙临界密度。
宇宙空间的3种可能
宇宙的形状是什么？宇宙是否存在边界？对于宇宙的轮廓，人类曾有诸多天马行空的幻想。但在爱因斯坦将宇宙学原理应用到宇宙学研究之后，宇宙的形状就受到了严格的限制。宇宙学原理要求宇宙空间每一点的地位都是平等的，所以宇宙空间不可能有很奇怪的拓扑结构——举一个反例，宇宙不可能长成自行车内胎这样，因为内胎外侧的点与内侧的点地位显然不一样。
所以，考虑到宇宙学原理作出的限制，那么单连通的宇宙形状就只剩下3种可能性：
如果宇宙空间具有正曲率，那么它是一个封闭的三维球面；
如果宇宙空间的曲率是零，那么它是一个无边无际的平坦三维空间；
如果宇宙空间具有负曲率，那么它同样没有边际，是一个三维的马鞍面。
所以，从这个意义上来说，宇宙空间的形状由曲率决定。而根据爱因斯坦的广义相对论，宇宙空间的曲率取决于宇宙中物质场的分布。所以，只要测准了宇宙中的物质场的分布，那么就能推断出宇宙空间的形状。
现在，普朗克卫星为这个问题的解决提供了新的依据。在一项发表于《自然·天文学》的最新论文中，曼彻斯特大学的埃莱奥诺拉·瓦伦蒂诺 （Eleonora Di valentino）、意大利萨皮恩扎大学的亚历山德罗·梅尔奇奥（Alessandro Melchiorri ）和牛津大学的约瑟夫·西尔克（Joseph Silk），根据卫星的宇宙微波背景辐射功率谱中的引力透镜幅度，推算出宇宙空间的曲率为正。也就是说，宇宙空间是一个封闭的三维球面。
临界密度是关键
那么，物理学家如何判断宇宙空间的形状呢？
对于宇宙空间来说，存在一个决定其形状的分界线，这个分界线就是宇宙的临界密度。
在理论上，我们可以定义一个临界密度。这个临界密度与哈勃常数有关，它的物理含义是宇宙中的所有物质和能量（包括暗物质和暗能量）的平均密度。在这个平均密度下，宇宙空间是平坦的。
根据哈勃常数计算得知，这个临界密度等于每立方米约5.7个质子质量。
作为对比，我们知道在太阳系内，仅仅暗物质的密度就有每立方米3万个质子质量。所以，太阳系的密度远高于宇宙临界密度。但因为宇宙中其他地方（例如星际空间）的物质分布很稀薄，所以平均起来的临界密度肯定没太阳系内那么高。需要注意的是，虽然太阳系内物质密度很高，所以在局部意义上肯定不是平坦空间；但在宇宙学尺度上，我们不必考虑太阳系大小，在宇宙学中，银河系就是一个质点。讨论宇宙空间是不是平坦的，是从宇宙学尺度考虑的。
因此，一旦实测到的宇宙总密度等于临界密度，那么宇宙就是平坦的三维欧几里德空间；如果测得的密度大于或小于临界密度，那么宇宙将分别是弯曲的封闭三维球面或三维马鞍面。
在以上三种情况中，只有封闭的三维球面说明宇宙空间是有限的，另外两种情况中整个宇宙空间是无限大的。
11月3日，在腾讯科学WE大会上，哥伦比亚大学物理系和数学系教授Brian Greene带来了最前沿的探索之一弦理论的最新成果。
作为弦理论研究的领军人物，Greene通过三个故事讲解了多重宇宙存在的可能性，“也许以后，会认为我们的宇宙并不是整个宇宙空间的中心，而只是无数宇宙中的一个。”
以下为Greene教授演讲全文：
非常高兴能够在这里向大家做这个报告。长期以来，“宇宙”这个词一直意味着，所有的事物都存在于其中。
可是在过去中，科学家逐渐意识到，无所不有的宇宙似乎只是一个更大、更宏伟和更宽广的宇宙全景中的一个，这就是所谓的多重宇宙。
接下来，我会给大家讲三个小故事。这些故事让我们注意到一种可能性，那就是我们或许生存在多重宇宙中。我们并不能证明多重宇宙的存在，但这能激励我们像很多科学家一样认真的对待这个概念和它存在的可能性。
这些故事都有一个共同的特点，都依赖于我们对“引力”的了解。所谓“引力”，首先是由牛顿在公元1600年左右用物理的语言进行了描述。他认为“引力”甚至能够预测星辰如何运转，如行星如何围绕恒星运行。
现在，全世界的学生都学过万有引力方程，就是这样一个能印在衬衫上的数学简单方程，竟然就可以帮助我们预测物体应该处于什么地方。当我们仰望星空的时候，这个方程能准确预测星辰的位置。
可以说，了解到引力是控制宇宙运行的通行规律，让我们的认知有了一个飞跃。但是牛顿似乎还是遗漏了一些事情，他没有说明引力这个“力”到底怎么控制天体运行，它怎么会从一个地方作用于另外一个地方？为什么太阳在那里，而地球为什么在这里？引力又是如何发挥作用的？
后来，爱因斯坦解决了这个问题。他贡献了一种全新的思考引力的方式。他说，大家试想一下引力，可以打个比方，就像是有这么一个橡胶垫子，很有韧性。假设你扔出一个较重的物体，这个垫子就会陷下去，因为它把这个垫子的表面压弯了。
引力就是这样，我们可以不用将它想象成一个垫子，而是一个三维空间。可能全面认识有点难，我们把它简化为二维，就像这个橡皮垫子一样。如果是太阳这么大的一个物体放上去的话，整个表面就会发生弯曲。旁边就是地球，围着太阳系运转，它也会压弯这个表面；旁边还有一个月球，月球也会压弯这个表面，这就是引力的运转机制。根据爱因斯坦的学说，星球的运转就是这样进行的。
19的天文观测，验证了这个学说。当时，在日食的时候，光线轨迹的变化验证了光线在引力作用下弯曲，这使得爱因斯坦成为了世界上最受人尊敬的科学家，大家开始继承并不断发展他的想法。
其中有一个人非常杰出，他叫做勒梅特。他开始是一个神职人员，但还拥有麻省理工学院的博士学位。勒梅特继承和发展了爱因斯坦的数学方程，让它不止能用于解释像太阳或者地球这样的天体，还能解释整个宇宙。
他有一个令人惊奇的发现，爱因斯坦的数学方程并不会让宇宙一直保持静态，因为这样的宇宙和数学描述并不相符。如果是按照数学方程计算的话，不久之后宇宙或者会坍缩，或者会膨胀。
爱因斯坦认为宇宙应该是无穷无尽和永远不变的。但是，哈勃的观测改变 这一观点。哈勃一开始学习法律想做一名律师，但后来他改变了职业，成为了天文学家。他用强大的望远镜观测整个银河系，发现宇宙在膨胀。就像爱因斯坦的数学方程计算出的那样，宇宙起源于一次大爆炸。最开始的宇宙非常小、密度非常大，但随着不断膨胀，温度会逐渐降低，但体积越来越大，这就是宇宙起源的过程。
这是一个美丽的故事，它始于简单的数学，从牛顿简单的引力方程到较为复杂的爱因斯坦的数学方程，给了我们一个图景，告诉我们宇宙是如何从它的历史早期能够发展到现在，并一直延续到未来。
所以，这是一个巨大的成就。想一想，我们只是人类，我们在这个星球上并没有没活多少年，但是有这么一个数学方程能告诉我们宇宙的起源。但是，这个理论还有一个问题：它没有告诉我们，是什么推动着最初的膨胀。
可以说这个问题几十年来都没有被解决。大家都认为引力是宇宙当中最强的力。但是，一般我们想到引力的时候，都想到什么样的力量会拉着我们靠近，把东西都聚在一起。如果你想往外走就需要有一个力，在相反的方向来发挥作用。
所以20世纪70年代末，科学家开始研究爱因斯坦的数学方程，发现引力有两种形态：
第一，吸引，就像我们司空见惯的那样，就像我们在地球上有引力，我们不离开地面一样。
第二，整个外太空中存在均匀分布的能量，它使得另外一种引力，也就是所谓的反斥引力存在，它会把物质推出去。这样的一种能量，就像宇宙的燃料一样，推动着我们所在的这个宇宙不断地膨胀。
宇宙微波背景辐射
这个观点是根据宇宙微波背景辐射预测出来的。这个背景中颜色的差异代表着温度的差异，也就是十万分之一。引力方程告诉我们，宇宙在反斥引力作用下是快速爆炸的话，通过量子力学，我们就会了解宇宙产生温度差。引力方程预测，在微波背景辐射中的不同位置，温度差应当如何分布。
我举这个例子的原因在于，它符合多重宇宙的大局观。这告诉我们，我们宇宙的膨胀基本上不可能完全用光这样的燃料。其中一些燃料在推动着我们的大爆炸，但是还会剩下一些的话，剩下的怎么办？会再导致下一个大爆炸，再剩下来再爆炸一次……一次接着一次，就使得一个宇宙成为了另一个宇宙。
这是我们的大爆炸，剩下的燃料引发一次又一次的大爆炸，每一次都会产生它的星系，变成一个真正的宇宙，存在于我们整个宇宙的大局观中。
在理解这个问题时，你会发现如果推进到微观世界，就会出现一些问题。要让量子力学和引力能够匹配，我们需要有一个新的认识维度，而这个新的认识就会产生新的思想，也就是弦理论，这就是第二个故事了。
在微观世界中，我们会看到物质最根本的组成形态。比如，我们知道夸克、电子，大家对这些微粒都比较熟悉，而世界似乎由它们来组成。但还有这些非常微小、振动的弦。这些能量弦，也许才是物质的本质和核心。
我们可以展开一个美好的设想，比如宇宙中的万物，都是来自这些星系的能量弦和它们的振动方式。在宏观的尺度上，我们知道爱因斯坦给我们讲述了引力，也告诉了我们大爆炸的机制，因而宇宙演化也具有可能。
但是到了微观，我们看待物质时，最后归结于这些振动的能量弦。而这个故事的复杂之处就在于，在弦理论中利用数学方程，需要有一个条件成立，这就是我们周边的世界需要超过三维。
大家都熟悉三个空间维度，但根据弦理论，需要有更多维度。这里还有更多的扭曲、弯曲的弦，这个维度组成了不同的形状。
大家知道，丘成桐是非常有名的华人数学家，他也曾是我的老师。在这个微观世界中，这些弦的振动方式是由额外维度的几何形状所决定的。这个理论的美妙之处就在于，如果我们知道这些额外维度在微观上准确的形状，我们就可以回答100年来一直回答不了问题。
为什么电子有一个固定的质量，为什么夸克就有那么大的质量呢？最后所有的理论，都会决定这些额外维度的形状。
20世纪80年代，我还是一个学生，那时我们只了解5个已知的额外维度形状。经过大家的持续努力，到了20世纪90年代时，上千个可能的额外维度形状被发现了。不过还好，物理学家总有些事要干吧。再过了不少年，这个数字变成了上万个，最后是上百万，到现在有10的500次方的潜在空间形状。这么大的数量怎么办呢？这个理论如何往下发展？
有些人认为这个理论无法拿来预测，因为你只有知道弦的形状，知道它的振动，才能够进行预测，可是怎么从这么多中选择一个呢？
但是有另外一种方式，它能够联系到多重宇宙的思想。也许形状不只一个，也许所有的形状都是正确的形状，而正确之处在于也许不只有一个宇宙，而是有多重宇宙。
我们再把这个故事跟第一个故事联系起来，想像一下如果有多重的大爆炸，每一次大爆炸产生一个不同的宇宙，每一个宇宙的额外维度形状不一样，额外维度在每一个宇宙当中如何去呈现的呢？大家可以看到宇宙的情况，每一个宇宙额外维度的形状是怎么样的。我们的宇宙是这样的形状，但是还有别的宇宙，它们的形状对于额外维度来说是不一样的，因此物质的性状也不一样。
下面讲第三个故事，它会把第一个和第二个故事联系起来。这个故事来自于现在的观测。在20世纪90年代末，有两个天文学家团队，他们宣布一个科研成果，震惊了整个物理学界。早在20世纪代，我们知道了宇宙在不断膨胀，每一个人本来觉得空间体积越来越大，膨胀速度应该越来越慢才对，因为引力会给你拉回来。
但这两个天文学家团队得了诺贝尔奖，因为他们的发现正好相反。他们认为，空间的膨胀并没有越来越慢，而是越来越快。
那么我们如何解释这一点呢？显然，需要有个什么东西把它们推出去，第一个故事中讲到在爱因斯坦的引力理论当中，引力可以有反斥性的，这就是大爆炸的缘起。
当时的想法是，在现在的宇宙中还有这么一个能量场，就是所谓的暗能量。它弥漫于整个宇宙当中，也就是它们不断将星系往外推，把我们推向宏大的宇宙中，让本来就遥远的星系越来越远。
这个解释存在一个问题，把这几个故事联系起来的方式，在于我们要知道到底需要多少暗能量，才能够解释空间的膨胀越来越快。这个数字很诡异，开始是10^120，最后达10^138。当我们看到这样的数字，可以说所有人的心都不禁一沉，因为我们想要去解释为什么测出来是这么一个数字。
在我们的方程当中，数字一般都是1、2的平方等等乱七八糟的形式展现。我们想像普通的数字是那样，可我们得出这么大的一个数字。我们最后一页的数字是这样的，那我们能怎么样呢？你可以放弃，说这个数字可能不知道从哪儿掉下来的，就是没法解释的，就是这样的理论让我们大失所望。
还有更极端的方式，就是会提出来多重宇宙这样的想法。用它来解释，因为如果每一个宇宙中存在额外维度，而根据弦理论，形状不一样会使得物理值不一样，比如说暗能量的值就不一样。所以，我们的想法就是，我们这一个具体的数字就是存在那里，因为我们有10的500次方个宇宙，所以很容易得出这么一个数字，最后那个值也会非常小。
另外还有一个证据，就告诉我们说，我们现在这个宇宙，也许并不是唯一的宇宙。我们能验证这个思想吗？有可能，比如说我们可以看一下这是大爆炸下的余下的余热，咱们看一下这个是背景辐射。如果说有多重宇宙存在的话，这些宇宙会不会相互碰撞，如果说它们会相互碰撞的撞击力，比如说撞击后，像我们这个宇宙就会有涟漪和波动。而在温度分布当中，在夜空当中的温度分布存在的差异，会给我们显示过去有出现过宇宙。我们现在还找不到这样的数据，也就是别人的宇宙跟我们的宇宙相互碰撞。但是如果有的话，就可以告诉我们，可能存在一些疯狂的想法，即可能还存在一些别的宇宙。原则上，如果这个想法正确的话，可以验证的宇宙就是这个样子。
我们离开地球，穿过太阳系的各个行星，脱离银河系，脱离了我们的宇宙。我们就是游荡于多重宇宙当中的一分子。咱们就先设想一下这个事情，最后再讲一下这个大的背景是什么。
我一开始讲到这三个故事，不管是来自于宇宙学的多重大爆炸，来自于弦理论的额外维度的那么多种形状，另外就是宇宙的加速膨胀。
这些东西都不能够证明多重宇宙的存在，只是能够激励我们要认真对待这个思想，此外它能够符合我们500年以来的所见所闻。500年前，当时的人们认为地球是宇宙的中心，之后发现不是这样。
然后，我们开始意识到地球围着太阳转，就自然就认为太阳是宇宙中心，然后又发现不是这样，后来我们发现太阳只是几千亿颗恒星当中的一个。
但是，我们认为这样的银河系总应该是宇宙中心了吧？然后发现，原来咱们的银河系，又是几十亿个可观测宇宙当中的星系之一。也许这样的一个状况会不断出现，我们也许以后会认为我们的宇宙其实并不是整个宇宙空间的中心，而只是无数宇宙当中的一个。
可以说，这是一个耸人听闻的思想，如果我们足够幸运的话，也许我们在有生之年能够找到一些证据，非常感谢大家！
上帝乃知识之神，知识赋予我信仰。
