科学家：宇宙“造型”可能像个三维“甜甜圈”

北京时间 8 月 5 日消息，假如我们的宇宙是一个甜甜圈的形状，那么你开着一艘宇宙飞船、一直朝着一个方向前进，终有一日会回到原点。不仅如此，物理学家或许还能测出这个宇宙的大小。

法国里昂大学天体物理研究中心的天体物理学家托马斯?布切特与同事们在研究早期宇宙发出的光线时推断出，我们的宇宙也许具有多重连通性，也就是说，宇宙空间在三个维度上都是封闭的，就像一个三维的甜甜圈。这样的宇宙将是一个有限宇宙。并且根据布切特等人的结论，整个宇宙的大小也许仅为可观测宇宙的三至四倍大，边界距我们仅有 450 亿光年。

“可口”的问题

物理学家用爱因斯坦的广义相对论来解释宇宙相关问题。广义相对论将时空的内容与时空的弯折和扭曲联系在了一起，向我们“讲述”了这些内容之间的互动方式。我们正是以这种方式感受到引力的存在的。在宇宙学背景下，广义相对论则将整个宇宙的内容 —— 暗物质、暗能量、普通物质、辐射等等 —— 与宇宙的整体几何形状联系在了一起。数十年以来，天文学家一直对宇宙的形状争论不休：宇宙究竟是“扁平的”(平行线会永远保持平行)、还是“封闭的”(平行线最终会相交)、还是“开放的”(平行线最终会发散开去)？宇宙的几何形状决定了它的最终命运。扁平和开放的宇宙会永远持续扩张下去，而封闭的宇宙最终则会向内坍缩。

许多观测结果(特别是对宇宙微波背景的观测)都已经证实，我们生活在一个扁平的宇宙中。其中的平行线将永远保持平行，且宇宙会永远膨胀下去。

但几何学关注的不仅仅只有形状，还有拓扑性质，即无论形状如何变化、几何规则始终不变。

假设你拿出一张纸，将它铺平，在上面画两条平行线。由于纸是平的，这两条平行线便会一直保持平行。接下来请你捏住纸的两端、将其卷成筒状，此时这两条平行线依然保持平行，因为圆柱体在几何上也是扁平的。现在再将圆柱的两端对齐相连，就构成了一个甜甜圈的形状，这在几何学上同样是扁平的。

虽然我们对宇宙的内容和形状的测量结果告诉我们，宇宙的几何形状是扁平的，但我们对宇宙的拓扑性质依然一无所知。我们也不知道宇宙是否具有多重连通性，即宇宙至少有一个维度会首尾相连。

望向“光明”

一个完全扁平的宇宙会无限延伸下去，但具有多重连通拓扑性质的扁平宇宙的大小确实有限的。如果我们能设法确定宇宙中是否存在具有自卷性质的维度，就能得知宇宙在该维度上是否有限了，还能利用这些观察结果测出宇宙的整体体积。

但一个多重连通的宇宙怎样才能“现出真身”呢？

图为普朗克卫星绘制的宇宙微波背景图。从图中不同区域的密度可以看出对应的温度扰动。

德国乌尔姆大学与法国里昂大学的一组天体物理学家对宇宙微波背景展开了考察。宇宙微波背景诞生时，宇宙只有当今的 100 万分之一大。因此如果宇宙真的具有多重连通性，那么当时的宇宙在可观测范围内发生“自卷”的可能性应该比如今大得多。由于宇宙膨胀，如今宇宙的自卷可能已经超出了可观测范围，因此很难探测到。对宇宙微波背景的观测将是我们寻找多重连通宇宙迹象的最好机会。

该研究团队尤其关注宇宙微波背景温度的扰动。如果宇宙中有一个或多个维度会“首尾相连”，扰动的范围就不可能超出这些“圈圈”。

布切特解释道：“假如太空是无限的，那么宇宙微波背景辐射在各个层级上都会存在温度扰动。但如果太空是有限的，那么在超出宇宙范围之外的波段上，就观察不到温度扰动了。”

换句话说，如果宇宙微波背景温度扰动的规模存在上限，宇宙的拓扑性质也就向我们揭晓了。

建立连接

在 NASA 的威尔金森微波各向异性探测器、以及欧空局的普朗克探测器等卫星绘制的宇宙微波背景辐射图中，科学家已经观察到了大量大规模扰动的缺失。布切特和同事们分析了这些缺失的扰动是否有可能由多重连通宇宙导致。为此，他们借助计算机模型，假设宇宙为三维环面(即“三维甜甜圈”的数学表达)，开展了大量模拟。

“我们将模拟结果与观测结果进行了比较。”布切特解释道，“我们在超出宇宙规模之外的尺度上并未观察到宇宙微波背景扰动，说明我们的宇宙具有多重连通性，并且在该大小尺度上是有限的。”

“与假设宇宙无限大的标准宇宙模型相比，我们的模拟结果与观察到的扰动更加匹配。”布切特补充道，“我们还在模拟中改变了宇宙的大小，重复进行分析，从中找到了与宇宙微波背景观测结果最为相符的最佳大小。我们的结论是，‘有限宇宙模型’显然比‘无限宇宙模型’更符合观测结果。甚至可以说，我们现在终于知道宇宙的大小了。”

该团队发现，一个比可观测宇宙大三至四倍的多重连通宇宙最符合宇宙微波背景的观测数据。虽然这在理论上意味着，只要你朝一个方向一直前进下去，最终总会回到原点，但这在现实中其实是做不到的。宇宙还在不断扩张，并且宇宙在大尺度上的膨胀速度比光速还要快，因此你永远不可能回到原点、完成一个闭环。

不过布切特强调，这些还只是初步的研究结果，大尺度上的扰动缺失也可能是受仪器影响导致的。

不过嘛，想象一下自己生活在一个巨大的甜甜圈里还是挺有趣的。

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