为什么说宇宙是“平滑”的？平滑说的是啥意思？

这个问题可以分为两个问题来解答：为什么说宇宙是光滑的；为什么说空间是平坦的？这里的光滑指的是空间物质密度同性问题；平坦指的是宇宙空间曲率问题！先解决第一个问题。

为什么说宇宙是光滑的

在白天当我们抬头看天空中的一层白云时，我们会觉得天空中的云看起来分布的很均匀，很“光滑”，如果我们随意放大天空中的一小块，云层就会充满了不规则性和不断增加的复杂性。其实整个宇宙也有这样的性质！

我们知道一立方米的地球很重，但是离一立方米的空气呢？一立方米的星际空间呢？几乎没有重量。

换句话说，当我们谈论宇宙的光滑性时，我们指的是大尺度空间中“物质的数量”或密度问题，或者可以理解为一个地方与另一个地方在密度上看起来是否相同。我们将这种属性称为同质性，或不同位置的“同一性”。

先来看看我们的太阳系，可以说物质分布得非常不均匀。密度最大地方的物质含量是密度最小地方的10^30倍。但是，当我们把宇宙作为一个整体来讨论时，我们需要考虑比渺小太阳系大得多的尺度。

你可以想象一下，如果我们观察更大的尺度，也许宇宙会更加匀称，就像看全天空的云层一样。下面我们看看星系的尺度！

事实证明，在星系的尺度上，如果我们考虑一百万光年左右的范围，宇宙仍然有点不均匀。我们把100万光年范围内的物质密度和同样大小的真空区域相比，还是会发现密度存在差异。

但是它们的差别已经缩小到了一百万倍。当我们观察一个地球大小的范围时，得到的差异系数是10^30，一百万（10^6）现在看来已经不那么大了！那么如果我们开始观察更大的尺度呢？

上图是一张宇宙星系分布图，其范围大约有10亿光年。如果我们开始观察这么大的尺度，空间的一个区域和另一个区域看起来并没有太大的不同。并且在这么大的尺度上，宇宙的每个区域都有大致相同的密度。

在这个尺度上，我们可以在我们宇宙中密度最大的点周围选择一个直径为十亿光年的范围，然后在宇宙中密度最小的点周围选择同样大小的范围，这两个区域的密度差异不到0.1%。

在可观测宇宙的最大尺度上，我们的理论预测：一个区域与另一个区域的密度差异仅为0.006%，这个预测与我们在宇宙微波背景中观察到的微小波动完全吻合。这就是为什么我们说宇宙是平滑的，因为在宇宙的尺度上，密度基本一致，如果你有一双巨大的手可以抚摸宇宙，真的很光滑！

在物理学上我们已经了解了宇宙结构是如何形成的。我们可以观察一个空间区域，数一数在这个空间中有多少星系，并且测试宇宙的均匀程度。无论我们的观测是否与理论预测相符，都给了我们对标准宇宙模型的又一次交叉检验，以及对宇宙模型所依据的引力理论广义相对论的检验。

为什么说宇宙空间是平坦的

在广义相对论下，空间的曲率有宇宙中物质密度的多少决定了，在我们的理论中，宇宙空间的曲率只要可以表下出以下三种方式：

第一种情况是：物质密度大于临界密度，空间曲率为正曲率（闭合的宇宙），也就是三角形内角和大于180°第二种情况：物质密度小于临界密度，空间曲率为负曲率（开放的宇宙），三角形内角和小于180°第三种情况是：物质密度几乎和临界密度相等，空间几乎没有曲率（平坦的宇宙），三角形内角和为180°

这三种不同的曲率也代表不同的宇宙未来！宇宙要么物质密度过大发生大坍缩，要么物质过小，宇宙膨胀速度过快，导致无法形成任何结构，显然这是不可能的。要么物质密度和临界值几乎相等，在暗能量的作用下宇宙加速膨胀。

我们通过对大尺度的结构测量和微波辐射光线的测量发现，来自138年前发出的光没有任何弯曲（图B），这说明我们的可观测宇宙几乎没有曲率是平坦的！这就是为什么我们说宇宙空间如此的平滑。