北京時(shí)間 8 月 5 日消息，假如我們的宇宙是一個(gè)甜甜圈的形狀，那么你開(kāi)著一艘宇宙飛船、一直朝著一個(gè)方向前進(jìn)，終有一日會(huì)回到原點(diǎn)。不僅如此，物理學(xué)家或許還能測(cè)出這個(gè)宇宙的大小。
法國(guó)里昂大學(xué)天體物理研究中心的天體物理學(xué)家托馬斯?布切特與同事們?cè)谘芯吭缙谟钪姘l(fā)出的光線時(shí)推斷出，我們的宇宙也許具有多重連通性，也就是說(shuō)，宇宙空間在三個(gè)維度上都是封閉的，就像一個(gè)三維的甜甜圈。這樣的宇宙將是一個(gè)有限宇宙。并且根據(jù)布切特等人的結(jié)論，整個(gè)宇宙的大小也許僅為可觀測(cè)宇宙的三至四倍大，邊界距我們僅有 450 億光年。
“可口”的問(wèn)題
物理學(xué)家用愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論來(lái)解釋宇宙相關(guān)問(wèn)題。廣義相對(duì)論將時(shí)空的內(nèi)容與時(shí)空的彎折和扭曲聯(lián)系在了一起，向我們“講述”了這些內(nèi)容之間的互動(dòng)方式。我們正是以這種方式感受到引力的存在的。在宇宙學(xué)背景下，廣義相對(duì)論則將整個(gè)宇宙的內(nèi)容 —— 暗物質(zhì)、暗能量、普通物質(zhì)、輻射等等 —— 與宇宙的整體幾何形狀聯(lián)系在了一起。數(shù)十年以來(lái)，天文學(xué)家一直對(duì)宇宙的形狀爭(zhēng)論不休：宇宙究竟是“扁平的”（平行線會(huì)永遠(yuǎn)保持平行）、還是“封閉的”（平行線最終會(huì)相交）、還是“開(kāi)放的”（平行線最終會(huì)發(fā)散開(kāi)去）？宇宙的幾何形狀決定了它的最終命運(yùn)。扁平和開(kāi)放的宇宙會(huì)永遠(yuǎn)持續(xù)擴(kuò)張下去，而封閉的宇宙最終則會(huì)向內(nèi)坍縮。
許多觀測(cè)結(jié)果（特別是對(duì)宇宙微波背景的觀測(cè)）都已經(jīng)證實(shí)，我們生活在一個(gè)扁平的宇宙中。其中的平行線將永遠(yuǎn)保持平行，且宇宙會(huì)永遠(yuǎn)膨脹下去。
但幾何學(xué)關(guān)注的不僅僅只有形狀，還有拓?fù)湫再|(zhì)，即無(wú)論形狀如何變化、幾何規(guī)則始終不變。
假設(shè)你拿出一張紙，將它鋪平，在上面畫(huà)兩條平行線。由于紙是平的，這兩條平行線便會(huì)一直保持平行。接下來(lái)請(qǐng)你捏住紙的兩端、將其卷成筒狀，此時(shí)這兩條平行線依然保持平行，因?yàn)閳A柱體在幾何上也是扁平的。現(xiàn)在再將圓柱的兩端對(duì)齊相連，就構(gòu)成了一個(gè)甜甜圈的形狀，這在幾何學(xué)上同樣是扁平的。
雖然我們對(duì)宇宙的內(nèi)容和形狀的測(cè)量結(jié)果告訴我們，宇宙的幾何形狀是扁平的，但我們對(duì)宇宙的拓?fù)湫再|(zhì)依然一無(wú)所知。我們也不知道宇宙是否具有多重連通性，即宇宙至少有一個(gè)維度會(huì)首尾相連。
望向“光明”
一個(gè)完全扁平的宇宙會(huì)無(wú)限延伸下去，但具有多重連通拓?fù)湫再|(zhì)的扁平宇宙的大小確實(shí)有限的。如果我們能設(shè)法確定宇宙中是否存在具有自卷性質(zhì)的維度，就能得知宇宙在該維度上是否有限了，還能利用這些觀察結(jié)果測(cè)出宇宙的整體體積。
但一個(gè)多重連通的宇宙怎樣才能“現(xiàn)出真身”呢？
▲ 圖為普朗克衛(wèi)星繪制的宇宙微波背景圖。從圖中不同區(qū)域的密度可以看出對(duì)應(yīng)的溫度擾動(dòng)。
德國(guó)烏爾姆大學(xué)與法國(guó)里昂大學(xué)的一組天體物理學(xué)家對(duì)宇宙微波背景展開(kāi)了考察。宇宙微波背景誕生時(shí)，宇宙只有當(dāng)今的 100 萬(wàn)分之一大。因此如果宇宙真的具有多重連通性，那么當(dāng)時(shí)的宇宙在可觀測(cè)范圍內(nèi)發(fā)生“自卷”的可能性應(yīng)該比如今大得多。由于宇宙膨脹，如今宇宙的自卷可能已經(jīng)超出了可觀測(cè)范圍，因此很難探測(cè)到。對(duì)宇宙微波背景的觀測(cè)將是我們尋找多重連通宇宙跡象的最好機(jī)會(huì)。
該研究團(tuán)隊(duì)尤其關(guān)注宇宙微波背景溫度的擾動(dòng)。如果宇宙中有一個(gè)或多個(gè)維度會(huì)“首尾相連”，擾動(dòng)的范圍就不可能超出這些“圈圈”。
布切特解釋道：“假如太空是無(wú)限的，那么宇宙微波背景輻射在各個(gè)層級(jí)上都會(huì)存在溫度擾動(dòng)。但如果太空是有限的，那么在超出宇宙范圍之外的波段上，就觀察不到溫度擾動(dòng)了?！?/p>
換句話說(shuō)，如果宇宙微波背景溫度擾動(dòng)的規(guī)模存在上限，宇宙的拓?fù)湫再|(zhì)也就向我們揭曉了。
建立連接
在 NASA 的威爾金森微波各向異性探測(cè)器、以及歐空局的普朗克探測(cè)器等衛(wèi)星繪制的宇宙微波背景輻射圖中，科學(xué)家已經(jīng)觀察到了大量大規(guī)模擾動(dòng)的缺失。布切特和同事們分析了這些缺失的擾動(dòng)是否有可能由多重連通宇宙導(dǎo)致。為此，他們借助計(jì)算機(jī)模型，假設(shè)宇宙為三維環(huán)面（即“三維甜甜圈”的數(shù)學(xué)表達(dá)），開(kāi)展了大量模擬。
“我們將模擬結(jié)果與觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行了比較。”布切特解釋道，“我們?cè)诔鲇钪嬉?guī)模之外的尺度上并未觀察到宇宙微波背景擾動(dòng)，說(shuō)明我們的宇宙具有多重連通性，并且在該大小尺度上是有限的?！?/p>
“與假設(shè)宇宙無(wú)限大的標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型相比，我們的模擬結(jié)果與觀察到的擾動(dòng)更加匹配?！辈记刑匮a(bǔ)充道，“我們還在模擬中改變了宇宙的大小，重復(fù)進(jìn)行分析，從中找到了與宇宙微波背景觀測(cè)結(jié)果最為相符的最佳大小。我們的結(jié)論是，‘有限宇宙模型’顯然比‘無(wú)限宇宙模型’更符合觀測(cè)結(jié)果。甚至可以說(shuō)，我們現(xiàn)在終于知道宇宙的大小了?！?/p>
該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，一個(gè)比可觀測(cè)宇宙大三至四倍的多重連通宇宙最符合宇宙微波背景的觀測(cè)數(shù)據(jù)。雖然這在理論上意味著，只要你朝一個(gè)方向一直前進(jìn)下去，最終總會(huì)回到原點(diǎn)，但這在現(xiàn)實(shí)中其實(shí)是做不到的。宇宙還在不斷擴(kuò)張，并且宇宙在大尺度上的膨脹速度比光速還要快，因此你永遠(yuǎn)不可能回到原點(diǎn)、完成一個(gè)閉環(huán)。
不過(guò)布切特強(qiáng)調(diào)，這些還只是初步的研究結(jié)果，大尺度上的擾動(dòng)缺失也可能是受儀器影響導(dǎo)致的。
不過(guò)嘛，想象一下自己生活在一個(gè)巨大的甜甜圈里還是挺有趣的。
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