大约2500年前，人类开始认识到我们的星球是圆的——尽管今天仍有一些“地平说”的支持者否认这一点。然而，我们宇宙的形状尚不清楚。之前的研究表明，宇宙可能具有相当简单的形状，例如球面的三维等价物或平面。但根据来自异常和宇宙拓扑观测、模型和预测合作组织 (COMPACT) 的宇宙学家的说法，这种观点可能是错误的。在2024年4月发表的一篇论文中，他们发现宇宙的形状可能比之前假设的要复杂得多。
地球乍一看也是平坦的。这是因为它的半径非常大，以至于表面的曲率几乎难以察觉。要证明它是一个球体，你只需开始行走即可。如果你一直向前走而不转弯——翻越山脉和海洋——你最终会在某个时候回到起点。
宇宙学家收集类似的线索来确定宇宙的形状。他们可以派遣宇宙飞船穿越宇宙。相反，他们凝视夜空，检查来自宇宙深处最古老的光的痕迹。这种辐射是在大爆炸后约30万年产生的。尽管光子在那之前就已存在，但物质如此密集地挤压在当时还很小的宇宙中，以至于光量子没有机会自由传播。然而，最终，宇宙冷却到一定程度，变得透明。光子能够自由地在空间中传播——并且至今仍然如此。
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绘制宇宙中最古老的光——即所谓的宇宙微波背景——为宇宙的形状提供了线索。
ESA 和 普朗克合作组织
来自宇宙早期时代的光子以宇宙背景辐射的形式到达我们这里。大约相同的古老光模式来自宇宙的每个角落。这种辐射为宇宙的形状提供了线索。例如，如果宇宙的曲率在某一点发生变化，宇宙背景辐射就不会像我们观察到的那样均匀。因此，专家们认为，宇宙要么在任何地方都以相同的方式弯曲，要么是完全平坦的。
丰富的可能性
很难想象宇宙没有曲率或恒定曲率。这就是为什么使用二维示例会有所帮助。在这个类比中，为了符合宇宙背景辐射的均匀模式，宇宙实际上可以是像一张平坦的纸一样平坦（没有曲率），对应于球面的三维对应物（正曲率）或形成一种三维鞍面（负曲率）。在这三种情况下，曲率在任何地方都是恒定的。
但这仍然没有揭示宇宙作为一个整体是什么样子。例如，空间可能在任何地方都以相同的方式弯曲，但仍然有一个洞。拓扑学的数学学科可以用来区分这种情况。拓扑学家根据粗略的类别对几何图形进行分类，例如其中的孔洞数量，以便创建形状目录。宇宙学家的目标是将这些形状之一分配给宇宙。
正如数学家已经能够证明的那样，弯曲的三维表面有无限多种不同的类别（拓扑）。因此，如果时空真的是鞍形或球形的，那么宇宙在理论上可以呈现出任意数量的形状，每种形状都与其他形状非常不同。然而，迄今为止的宇宙学观测表明宇宙是平坦的，没有曲率。如果这是真的，那么这个见解缩小了宇宙拓扑的搜索范围：正如数学家格里戈里·佩雷尔曼在 2003 年推断的那样，平坦的三维表面的目录非常小，只有 18 个不同的类别。
18 种形状之一
因此，宇宙的形状大概对应于这 18 种形状之一。其中一种是纸张的三维类似物。然而，我们的宇宙也可能有洞。在 18 种拓扑结构中，甜甜圈表面的三维等价物是所谓的环面。
虽然甜甜圈乍一看似乎是弯曲的，但事实证明这种形状实际上是平坦的。这是因为甜甜圈形状可以使用（非常灵活的）一张纸创建。为此，您首先将纸张的相对长边粘在一起，创建一个细长的管子。然后弯曲管子并将两个开口连接在一起。
当作为一个整体来看时，环面可以被描述为一个平坦的矩形区域——或者折叠并卷成甜甜圈形状。
Lucy Reading-Ikkanda
这种构造有很多优点。例如，如果你想描述蚂蚁在甜甜圈上的运动，通常更容易想象矩形的纸张。昆虫在纸上走动，一旦越过边缘，它就会重新进入纸张的另一侧——就像 2000 年代流行的手机游戏 Snake 一样。如果蚂蚁沿直线移动，它最终会在某个时候回到起点。
您可以使用三维长方体而不是矩形纸张，以相同的方式创建三维环面。在这种情况下，您也可以对其进行变形，使长方体的相对面粘合在一起。
带有环路的甜甜圈宇宙
如果我们的宇宙是环面形的，这将产生实际的影响。例如，如果我们用手电筒照向天空，理论上这束光会在某个时候再次到达我们这里——就像纸上的蚂蚁总是回到它的起点一样。这种环路存在于 18 种不同的拓扑结构中的大多数中。这些是返回其起点的轨迹。然而，乍一看，这些环路似乎与我们的观察结果不符。如果光周期性地穿过空间，我们必须在夜空中看到宇宙的多个副本。
尽管如此，这一事实并没有排除所有带有环路的拓扑结构。我们可能生活在一个非常大的宇宙中，以至于光还没有足够的时间穿过它并返回。也许在数十亿年后，人类（或其他生物）将有幸看到包含宇宙众多图像的夜空。
但即使是如此巨大的环路也会在今天留下痕迹。例如，宇宙的形状会影响物质和光在早期宇宙中如何相互作用。如果宇宙有洞——因此也有环路——那么这个事实应该反映在宇宙背景辐射的数据中。
然而，在 2000 年代和 2010 年代的搜索中，专家们一无所获。因此，大多数宇宙学家都认为宇宙具有相当简单的结构。对宇宙形状的研究停滞不前——至少在 COMPACT 于 2022 年启动之前是这样。
比预期更多的可能性
COMPACT 团队将最新的宇宙背景辐射数据与宇宙的各种拓扑结构进行了比较——并在其首次出版物中得出了令人惊讶的结果。 除此之外，研究人员发现，之前的工作忽略了单个拓扑结构的许多变体。换句话说，研究人员可能之前错过了可以描述我们宇宙的其他形式。该合作组织还能够表明，宇宙背景辐射中环路缺失的证据远没有之前假设的那么具有限制性。除了环路之外，宇宙背景辐射中可能还有其他痕迹指向复杂的拓扑结构。未来的工作将探索这些形状究竟可能是什么。
研究人员使用平坦空间的三种具体示例拓扑结构来支持他们的论点：一个普通的环面和它的两个变体，其中长方体的面在粘合在一起之前被扭曲。所有三个都有洞。对于普通环面，COMPACT 证实了早期的结论：如果我们的宇宙是环面形的，那么环路必须非常大，以至于光还没有能够到达我们这里。但令人惊讶的是，这个相同的想法可能不适用于修改后的形状。该合作组织的计算表明，这些形状的环路也可能比之前从数据中假设的要短得多。由于存在许多扭曲，宇宙可能包含自身的副本，这些副本可能看起来与原始副本不同，从而使它们在宇宙微波背景图中不太容易被发现。
总而言之，COMPACT 团队的发现表明，宇宙可能看起来比之前假设的要复杂得多。这将产生深远的影响。我们宇宙的形状不仅仅是一个学术问题。时空的拓扑结构大概是由大爆炸后不久发生的量子过程决定的。如果我们对宇宙的形状了解更多，我们就有可能了解更多关于宇宙诞生之初发生的复杂过程。
本文最初发表于《Spektrum der Wissenschaft》，经许可转载。