天体物理学家：宇宙实际上可能是超大型3D甜甜圈

想象一个宇宙，在那里你可以将一艘宇宙飞船指向一个方向并最终返回到你开始的地方。如果我们的宇宙是一个有限的甜甜圈，那么这样的运动是可能的，物理学家可能会测量它的大小。

“我们可以说：现在我们知道了宇宙的大小，”法国里昂大学天体物理研究中心的天体物理学家 Thomas Buchert 在一封电子邮件中向媒体表示。 

通过检查来自早期宇宙的光，布赫特和一组天体物理学家推断，我们的宇宙可能是多重连接的，这意味着空间在所有三个维度上都是封闭的，就像一个三维甜甜圈。

这样的宇宙是有限的，根据他们的结果，我们整个宇宙可能只比可观测宇宙的极限大三到四倍，距离我们大约 450 亿光年。

在宇宙学背景下，这种语言将整个宇宙的内容—— 暗物质、暗能量、常规物质、辐射和所有其他物质——与其整体几何形状联系起来。

几十年来，天文学家一直在争论这种形状的性质：我们的宇宙是“平坦的”（意味着假想的平行线将永远保持平行）、“封闭的”（平行线最终会相交）还是“开放的”（这些线会发散） ）。

宇宙的几何形状决定了它的命运。平坦而开放的宇宙将永远继续膨胀，而封闭的宇宙最终会自行坍缩。

多次观测，尤其是来自宇宙微波背景（当我们的宇宙只有 380,000 年历史时释放的闪光）的观测，已经坚定地证明我们生活在一个平坦的宇宙中。平行线保持平行，我们的宇宙将继续膨胀。

但是除了几何形状之外，还有更多的形状。还有 拓扑学，即形状如何在保持相同几何规则的情况下发生变化。

例如，拿一张扁平的纸。它显然是平的——平行线保持平行。现在，取那张纸的两条边，把它卷成一个圆柱体。这些平行线仍然是平行的：圆柱在几何上是平的。现在，取圆柱形纸的两端并将它们连接起来。这使得甜甜圈的形状在几何上也是平坦的。

虽然我们对宇宙内容和形状的测量告诉我们它的几何形状——它是平坦的——但它们并没有告诉我们拓扑结构。他们没有告诉我们我们的宇宙是否是多重连接的，这意味着我们宇宙的一个或多个维度相互连接。

虽然一个完美平坦的宇宙会延伸到 无穷大，但一个具有多重连接拓扑的平坦宇宙将具有有限的大小。如果我们能以某种方式确定一个或多个维度是否包含在它们自身上，那么我们就会知道宇宙在那个维度上是有限的。然后我们可以使用这些观察来测量宇宙的总体积。

但是，一个多重连接的宇宙将如何揭示自己呢？

来自德国乌尔姆大学和法国里昂大学的一组天体物理学家研究了宇宙微波背景 (CMB)。当 CMB 被释放时，我们的宇宙比今天小一百万倍，所以如果我们的宇宙确实是多重连接的，那么它更有可能在当时的宇宙可观察范围内包裹自己。

今天，由于宇宙的膨胀，包裹发生的尺度超过可观测极限的可能性要大得多，因此包裹会更难被探测到。CMB 的观测为我们提供了最好的机会，可以看到一个多重连接的宇宙的印记。

该团队专门研究了 CMB 温度中的扰动——颠簸和摆动的奇特物理术语。如果我们宇宙中的一个或多个维度要与它们自己连接起来，那么扰动就不会大于这些环周围的距离。他们根本不适合。

换句话说：扰动会有一个最大尺寸，这可以揭示宇宙的拓扑结构。 

用美国宇航局的 WMAP 和欧空局的普朗克等卫星制作的 CMB 地图已经看到了大量缺失的大尺度扰动。Buchert 和他的合作者研究了那些缺失的扰动是否可能是由于多重连接的宇宙造成的。

为此，该团队对宇宙是一个三环面时 CMB 的样子进行了许多计算机模拟，这是一个巨大的三维甜甜圈的数学名称，我们的宇宙在所有三个维度上都与自身相连.

“因此，我们必须在给定的拓扑结构中进行模拟，并与观察到的情况进行比较，”Buchert 解释说。“观察到的 CMB 波动的特性随后在超出宇宙大小的尺度上显示出‘缺失的力量’。”

缺失功率意味着在这些尺度上不存在 CMB 的波动。这意味着我们的宇宙在那个尺度上是多重连接的，并且是有限的。

“与被认为是无限的标准宇宙学模型相比，我们发现与观察到的波动更好的匹配，”他补充道。

“我们可以改变空间的大小并重复这个分析。结果是宇宙的最佳大小与 CMB 观测最匹配。我们论文的答案显然是有限宇宙比无限模型更好地匹配观测。我们可以说：现在我们知道宇宙的大小了。”

该团队发现，一个多连接的宇宙比我们可观测到的气泡大三到四倍，与 CMB 数据最匹配。虽然这个结果在技术上意味着你可以朝一个方向旅行并最终回到你开始的地方，但在现实中你将无法真正做到这一点。

我们生活 在一个不断膨胀的宇宙中，在大尺度上，宇宙正在以比光速更快的速度膨胀，所以你永远无法赶上并完成这个循环。

Buchert 强调，结果仍处于初步阶段。仪器效应也可以解释大尺度上缺失的波动。

尽管如此，想象生活在一个巨大的甜甜圈表面还是很有趣的。

前瞻经济学人APP资讯组

参考资料：

https://www.sciencealert.com/astrophysicists-say-our-universe-could-really-be-a-giant-3d-donut