天文
宇宙到底有几个洞
科学家发现宇宙的形状可能比我们以为的复杂得多。
大约2500年前，人类开始认识到地球是圆的——尽管今天仍有一些“平地球”支持者否认这一点。然而，宇宙的形状至今尚不明确。之前的研究暗示宇宙可能具有相对简单的形状，例如三维的球面或平面。但根据观测、模型与异常和宇宙拓扑合作组织(COMPACT)的宇宙学家们在2024年4月发表的一篇论文，宇宙的形状可能比我们之前所认为的复杂得多。
乍一看，地球看起来也是平的。这是因为它的半径太大，导致地表的曲率几乎不可察觉。要证明地球是球形，你只需一直向前走，不拐弯——跨越山川和海洋，你最终会回到出发点。
宇宙学家们通过收集类似的线索来确定宇宙的形状。他们可以派飞船穿越宇宙，但实际上他们是通过观察夜空中从宇宙深处到达我们的最古老的光来研究宇宙的形状。这种辐射大约在大爆炸后30万年形成。虽然光子在此之前就已存在，但那时物质密度太高，光子无法自由传播。最终，宇宙冷却到足够程度，变得透明，光子得以自由传播——并且一直传播到今天。
绘制出宇宙中最古老的光(所谓的宇宙微波背景)为宇宙的形状提供了线索
这些早期宇宙的光子以宇宙背景辐射的形式到达我们。来自宇宙每个角落的旧光图案大致相同。这种辐射为我们提供了宇宙形状的线索。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每个地方都是相同的曲率，要么完全是平的。
更多的可能性
很难想象宇宙没有曲率或具有恒定曲率。这就是为什么使用二维例子会有所帮助。在这个类比中，为了符合宇宙背景辐射的均匀图案，宇宙可以像一张平纸一样平(无曲率)，对应于三维球面(正曲率)，或形成一种三维马鞍面(负曲率)。这三种情况下，曲率在每个地方都是恒定的。
但这仍然无法揭示整个宇宙的样子。例如，空间可以在每个地方都具有相同的曲率，但仍然可能有一个洞。可以使用拓扑学这门数学学科来区分这些情况。拓扑学家通过粗略的类别(例如它们的孔数)来对几何图形进行分类，以创建形状的目录。宇宙学家的目标是将宇宙分配到这些形状中的一种。
数学家们已经证明，具有曲率的三维表面类别(拓扑)是无限的。因此，如果时空确实是马鞍形或球形，那么理论上宇宙可以有无数种不同的形状，每种形状都彼此非常不同。然而，迄今为止的宇宙学观测表明，宇宙是平的，没有曲率。如果这是真的，这一发现将缩小对宇宙拓扑的搜索范围：正如数学家Grigori Perelman在2003年推论的那样，平坦三维表面的目录非常小，只有18种不同的类别。
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。其中一种是平纸的三维类似物。然而，我们的宇宙可能也有洞。在这18种拓扑中，甜甜圈表面的三维等价物被称为环面(torus)。
虽然甜甜圈乍一看是曲的，但实际上这种形状是平的。这是因为可以用一张(非常柔韧的)纸来创建甜甜圈形状。首先将纸的相对长边粘在一起，形成一个细长的管子。然后将管子弯曲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
这种构造有很多优点。例如，如果你想描述一只蚂蚁在甜甜圈上的运动，通常更容易想象成在一张矩形纸上。蚂蚁在纸上行走，一旦越过一个边缘，它会重新进入纸的对面边缘，就像2000年代流行的手机游戏《贪吃蛇》一样。如果蚂蚁沿直线移动，它最终会回到起点。
你可以用三维长方体代替矩形纸，以同样的方式创建一个三维环面。在这种情况下，你也要变形它，使长方体的对面边粘在一起。
带环的甜甜圈宇宙
如果我们的宇宙是环面形的，这将产生实际后果。例如，如果我们向天空照射手电筒，这束光理论上在某个时候会再次到达我们——就像在纸上行走的蚂蚁总是回到起点一样。大多数18种不同的拓扑中都存在这样的循环。这些轨迹会回到它们的起点。然而，乍一看，这些循环似乎与我们的观测不一致。如果光周期性地穿过空间，我们在夜空中应该能看到几个宇宙的副本。
尽管如此，这个事实并不排除所有带有循环的拓扑。我们可能生活在一个如此大的宇宙中，以至于光还没有足够的时间穿越并返回。也许在几十亿年后，人类(或其他生物)将有机会看到一个包含许多宇宙图像的夜空。
但即使是这样巨大的循环今天也会留下痕迹。例如，宇宙的形状会影响早期宇宙中物质和光的相互作用。如果宇宙有洞——因此也有循环——这一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，大多数宇宙学家认为宇宙具有相对简单的结构。对宇宙形状的研究停滞不前——至少直到2022年COMPACT启动。
可能性比预期的多得多
COMPACT团队将最新的宇宙背景辐射数据与各种宇宙拓扑进行了比较，并在其首次发布中得出了令人惊讶的结果。研究人员发现，以前的工作忽略了许多单个拓扑的变体。换句话说，研究人员可能之前错过了描述我们的宇宙的其他形式。该合作组织还展示了缺乏宇宙背景辐射中循环的证据远没有以前认为的那么严格。除了循环外，宇宙背景辐射中可能还有其他迹象表明复杂的拓扑结构。未来的工作将探索这些形状到底是什么。
研究人员通过三个具体的平坦空间拓扑例子来支持他们的论点：一个普通的环面和两个变体，在这些变体中，长方体的面在粘合之前被扭曲。所有三个都有洞。对于普通环面，COMPACT确认了早期的结论：如果我们的宇宙是环面形的，那么循环必须非常大，以至于光还没有能够到达我们。但令人惊讶的是，这个相同的想法可能不适用于修改过的形状。该合作组织的计算表明，这些形状的循环也可能比以前的数据假设的要短得多。由于多次扭曲，宇宙可能包含自身的副本，这些副本可能与原始的看起来不同，从而在宇宙微波背景图中不易被发现。
总结起来，COMPACT团队的发现表明，宇宙可能比以前假设的更复杂。这将产生深远的影响。宇宙的形状不仅仅是一个学术问题。时空的拓扑可能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，我们可能——潜在地——了解更多关于其起始时复杂过程的信息。
本文译自 Scientific American，由 BALI 编辑发布。