天文
科学家猜测宇宙可能像一个甜甜圈
与其说宇宙延伸到无限远，不如说它可能有一个可以最终映射的拓扑结构。
我们可能生活在一个甜甜圈里。这听起来像是《辛普森一家》中的梦幻场景，但这可能是整个宇宙的形状——确切地说，是数学家称之为三维环面(3-torus)的高维甜甜圈。
这只是宇宙拓扑结构的众多可能性之一。“我们正在尝试找出空间的形状，”马德里理论物理研究所的Yashar Akrami说。他是一个名为Compact(即异常与宇宙拓扑的观察、模型和预测协作)的国际合作团队的成员。今年五月，Compact团队解释说，宇宙形状的问题依然未解，并展望了未来的研究前景。
“这是高风险高回报的宇宙学，”伦敦帝国理工学院的宇宙学家Andrew Jaffe说。“如果我们找到什么，我会非常惊讶，但也会极其高兴。”
物体的拓扑结构定义了它的各部分是如何连接的。甜甜圈的拓扑结构与茶杯相同，孔相当于茶杯的把手：你可以将一个粘土甜甜圈重新塑造成茶杯形状而不撕裂。同样，球体、立方体和香蕉的拓扑结构相同，都没有孔。
整个宇宙可能有形状的想法很难想象。除了拓扑结构，还有另一个方面：曲率。1916年，Albert Einstein在他的广义相对论中表明，空间可以被巨大物体弯曲，形成引力。
想象一下空间是二维的，就像一张纸，而不是所有三维空间。平坦的空间像一张平坦的纸，而弯曲的空间可能像球体的表面(正曲率)或马鞍(负曲率)。
这些可能性可以通过简单的几何学来区分。在一张平坦的纸上，三角形的角度之和必须是180度。但在弯曲的表面上，情况就不同了。通过比较遥远物体(如星系)的真实大小和表观大小，天文学家可以看到我们的宇宙整体上似乎是接近平坦的：它像一张平坦的纸，上面布满了小凹痕，每颗恒星都会扭曲其周围的空间。
“知道曲率是什么，你就知道可能的拓扑结构类型，”Akrami说。平坦的空间可以无限延伸，就像一张无限大的纸。这是最无趣、最简单的可能性。但平坦的几何结构也符合一些宇宙学家委婉地称之为“非平凡”的拓扑结构，这些拓扑结构要有趣得多，而且可能让人难以理解。
出于数学原因，确切地说，有18种可能性。一般来说，它们对应于宇宙具有有限体积但没有边界：如果你旅行超过宇宙的尺度，你最终会回到起点。这就像一个电子游戏的屏幕，角色从最右边退出后又从最左边重新出现——就像屏幕被扭成了一个圈。在三维空间中，最简单的这种拓扑结构是三维环面：就像一个盒子，从任何一面出去，你会从相对的一面重新进入。
如果你能看遍整个宇宙，你会看到无尽方向上的无数自我，就像一个三维的镜厅。
这种拓扑结构有一个奇怪的含义。如果你能看到整个宇宙——这需要光速是无限的——你会在各个方向上看到无数的自己，就像一个三维的镜厅。其他更复杂的拓扑结构也是基于相同的主题，例如图像会稍微偏移——你在不同的地方重新进入盒子，或者可能被扭曲成左右相反。
如果宇宙的体积不大，我们或许可以看到这种重复的图像——比如我们银河系的精确副本。“人们开始通过寻找银河系的图像来研究非常小尺度的拓扑结构，”Jaffe说。但这并非完全简单，因为光速有限——“你必须寻找它们在很久以前的样子”——所以你可能无法认出重复的图像。而且，我们的银河系在移动，所以副本不会在我们现在所在的位置。而且一些更奇特的拓扑结构也会使其发生偏移。总之，天文学家还没有看到任何这样的宇宙重复现象。
另一方面，如果宇宙真的巨大但并非无限，我们可能永远无法区分这两者，Akrami说。但如果宇宙在某些方向上是有限的，并且不比我们能看到的最远距离大得多，那么我们应该能够检测到它的形状。
其中一个最佳方法是观察宇宙微波背景辐射(CMB)：这是大爆炸留下的微弱热辐射，充满了整个宇宙。1965年首次探测到CMB，它是大爆炸发生的关键证据之一。它在整个宇宙中几乎均匀分布。但随着天文学家开发出越来越精确的望远镜来探测和绘制它在天空中的分布，他们发现这些微波海洋的“温度”存在微小的差异。这些差异是早期宇宙随机温度差异的遗留——这些差异有助于结构的出现，使得物质在宇宙中不像黄油涂在面包上那样均匀分布。
因此，CMB是一张我们今天能观察到的最早期宇宙样貌的地图(大约100亿年前)，它在我们周围的天空上留下了印记。如果宇宙有产生某些或所有方向上的复制品的非平凡拓扑结构，并且它的体积不显著大于我们看到的CMB投影的球体，那么这些复制品应该会在温度差异中留下痕迹。两块或更多块区域会匹配，像指纹的重复一样。但这并不容易检测，因为这些差异是随机且微弱的，并且一些拓扑结构会使复制品发生偏移。尽管如此，我们可以在微小温度差异的统计数据中寻找它们是否随机。这是寻找模式，就像交易员寻找股市波动中的非随机性一样。
Compact团队仔细研究了找到任何东西的机会。尽管在CMB地图上还没有看到非随机模式，但也没有被排除。换句话说，许多奇特的宇宙拓扑结构仍然完全符合观测数据。“我们并没有像一些人之前认为的那样排除那么多有趣的拓扑结构，”Akrami说。
外界的专家也同意这一观点。蒙大拿州博兹曼市的Montana State University的天体物理学家Neil Cornish说：“以前的分析并没有排除由于宇宙具有非平凡拓扑结构而可能产生的可观察到的效应。”20年前，他提出了一种这样的分析方法。德国巴登-符腾堡州乌尔姆大学的天文学家Ralf Aurich也说：“我认为非平凡拓扑结构仍然非常有可能。”
然而，想象宇宙可能具有某种扭曲的甜甜圈形状而不是最简单的无限大小的拓扑结构，难道不是有点反常吗？不一定。从无到有的宇宙大爆炸是一大步。“创造小东西比创造大东西容易，”Jaffe说。“所以创造某种方式紧凑的宇宙更容易——而非平凡拓扑结构可以实现这一点。”
此外，有理论上的原因怀疑宇宙是有限的。没有关于宇宙起源的公认理论，但其中最流行的框架之一是弦理论。但当前版本的弦理论预测宇宙不应该只有四个维度(空间三个，加上时间)，而是至少有10个维度。
弦理论家认为，其他所有维度可能都变得高度“紧致”：它们如此之小以至于我们完全感受不到它们。但为什么只有六个左右的维度变得有限而其他维度保持无限？“我认为拥有一个紧凑的宇宙比拥有四个无限维度和其他紧凑的维度更自然，”Akrami说。
“发现一个紧凑的宇宙将是人类历史上最惊人的发现之一，”Barnard College的宇宙学家Janna Levin说。这就是为什么这样的搜索“尽管可能会让人失望，但仍然值得。”不过，如果她必须下注，她补充道：“我会赌一个小宇宙。”
我们会知道答案吗？“宇宙很可能是有限的，但拓扑尺度大于我们可以通过观测探测到的范围，”Cornish说。但他补充说，CMB模式中的一些奇怪特征“正是你在有限宇宙中会期望的那种，所以值得进一步探测。”
问题在于寻找CMB中的模式，Cornish说，由于18种平坦拓扑结构中的每一种都可以变化，“存在无数种可能性，每一种都有自己独特的预测，因此不可能全部尝试。”也许我们能做的最好方法是决定哪些可能性看起来最有可能，然后看看数据是否符合这些可能性。
Aurich说，一个名为CMB stage 4的国际项目计划改进CMB地图，使用位于智利和南极洲的十几个望远镜，这将有助于这一追踪。但Compact研究人员怀疑，除非我们很幸运，否则单靠CMB可能无法最终回答拓扑结构问题。
不过，他们说，还有很多其他天文数据可以使用：不仅仅是CMB地图上的“球面”，还有其内部的空间。“宇宙中的一切都受拓扑结构影响，”Akrami说。“理想的情况是结合所有可观察到的数据，希望能得到一个强大的拓扑信号。”团队希望能够检测到这个信号，或者证明它是不可能的。
现在使用或正在建造的几种仪器将填补可观测空间体积内的更多细节，例如去年发射的欧洲航天局的欧几里得空间望远镜，以及在澳大利亚和南非建造的SKA天文台(前身为平方公里阵列)。“我们想要对宇宙中的所有物质进行普查，”Jaffe说，“这将使我们能够理解空间和时间的整体结构。”
如果我们成功了——如果宇宙拓扑结构使得宇宙是有限的——Akrami想象有一天我们会有一个类似Google Earth的整个宇宙地图：一张关于一切的地图。
本文译自 The Guardian，由 BALI 编辑发布。