關(guān)于宇宙形狀的猜想：宇宙可能像一張平坦的白紙、一個球面，又或是一個馬鞍面。事實上，這些討論只涉及了宇宙的曲率，如果要完整地描述宇宙的形狀，還要考慮拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這樣一來，宇宙的形狀就不止有這三種二維空間可選了，它還可以是一個“甜甜圈”——這并不是腦洞大開的幻想，而是科學(xué)家從宇宙微波背景輻射中讀出的信息……

　　撰文 |?白德凡

　　審校?|?王昱 吳非

　　什么是宇宙的“形狀”

　　你或許聽說過一些關(guān)于宇宙形狀的比喻：我們的宇宙像一張平坦的白紙，向各個方向延伸至無窮遠(yuǎn)，整個宇宙沒有邊界，大小也是無限的；當(dāng)然，宇宙也可以不那么平坦，它可能像一個球面，大小有限但是沒有邊界；又或是像一個馬鞍面，同樣延伸向無窮遠(yuǎn)，無限且沒有邊界。

　　我們生活在三維空間中，三維空間的復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)不便于想象，以平面、球面、馬鞍面這樣的二維空間做類比是理解宇宙形狀的好方法。

　　從數(shù)學(xué)上來說，平面、球面和馬鞍面這三種二維空間之所以看起來如此不同，是因為三者擁有不同的內(nèi)稟曲率（intrinsic curvature）：平面的內(nèi)稟曲率處處為零，球面的內(nèi)稟曲率是正的，而馬鞍面的是負(fù)的。

　　所謂“內(nèi)稟”，意味這幾種空間的差別其實不用從更高維的空間觀察就能看出來。例如，如果看不到地球的全貌，我們能否判斷地球是球面還是平面呢？我們可以找一對經(jīng)線，它們在赤道附近是平行線，可是沿著遠(yuǎn)離赤道的方向走下去，這對經(jīng)線最終會相交于極點處。而在平面上，平行線是不會相交的，這說明地球不是一個平面，而是有正曲率的球面。想象一種二維生物，它們終生被限制在紙面上活動，但通過類似的方法，在紙面上做一些幾何測量，它們同樣可以判斷所生活的空間是平面、球面還是馬鞍面。

　　回到三維空間中，當(dāng)我們談?wù)撚钪嫦衿矫?、球面還是馬鞍面時，我們其實是在談?wù)撚钪娴那?。然而，單靠曲率還不足以決定空間的形狀。我們要知曉宇宙完整的幾何形狀，還需要考察另一樣?xùn)|西。

　　把一張平坦的紙卷起來，得到一個圓柱面，這個面上的二維生物可以通過幾何測量判斷自己生活在平坦的平面上，還是“卷曲的”圓柱面上嗎？事實上，圓柱面的內(nèi)稟曲率依然是處處為零的，這意味著二維生物在圓柱面上畫的平行線也會永遠(yuǎn)保持平行，因此上述幾何測量不足以區(qū)將這兩種空間分開。真正將平面和圓柱面區(qū)分開的，不是曲率，而是拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（topology）。

　　所謂拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以理解成空間在“連續(xù)”形變中保持不變的性質(zhì)——這里的“連續(xù)”是指除了“剪切”和“粘貼”外的其他變形方式。比如從平面變成馬鞍面，通過連續(xù)的拉伸就能實現(xiàn)，所以平面和馬鞍面的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)其實是相同的。而把平面變成圓柱面，則必須把平面的一對對邊粘貼起來，這個過程改變了空間原本的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。類似地，如果把圓柱面的頭尾兩個環(huán)對接粘貼起來，就得到了甜甜圈的形狀——數(shù)學(xué)上把這種二維空間稱作“環(huán)面”（torus）——這個過程也改變了空間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

　　一只杯子連續(xù)變形成一個甜甜圈，二者擁有相同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（圖片來源：Lucas Vieira）

　　于是我們發(fā)現(xiàn)，平面、圓柱面和環(huán)面這三種二維空間，內(nèi)稟曲率是相同的，卻由于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不同，而呈現(xiàn)出三種完全不同的形狀。這說明，一個空間的幾何形狀是由其曲率和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)共同決定的。值得一提的是，環(huán)面像球面一樣，也是大小有限而無邊界的。從環(huán)面或球面上的一點出發(fā)朝一個方向走下去，只要時間夠長，總能回到起始點附近。

　　于是，確定宇宙的形狀就分成兩步：確定宇宙的曲率，以及宇宙的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。可是，宇宙實在是太大了，我們不可能真的在宇宙中畫一對平行線，讓它們一直延伸下去看看會不會相交，由此判斷宇宙的曲率；或是向一個固定方向發(fā)射一艘飛船，看看多年后它會不會回到發(fā)射點，由此判斷宇宙的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?？茖W(xué)家們需要想出更實用的方法來完成這兩項任務(wù)。所幸，有一樣重要的觀測數(shù)據(jù)可以擔(dān)此大任：宇宙微波背景輻射。

　　大爆炸遺留的痕跡

　　根據(jù)現(xiàn)在通行的宇宙學(xué)模型，宇宙起始于一場大爆炸，這場大爆炸在今天的宇宙背景上留下了微波頻段的電磁輻射，科學(xué)家們稱之為“宇宙微波背景輻射”。這種輻射在整個宇宙背景上分布得相當(dāng)均勻，相當(dāng)于溫度為2.725 K的黑體輻射，然而一些局部區(qū)域的溫度會略微偏離這個值。如果根據(jù)溫度為各個區(qū)域上色，我們會在整個宇宙微波背景輻射圖上看到亮斑與暗斑交替出現(xiàn)，表現(xiàn)出各向異性。各個區(qū)域溫度相較于2.725K的偏離值被稱為“溫度漲落”，這種漲落蘊含著宇宙的許多重要信息，其中就包括宇宙的形狀。

　　我們先看看關(guān)于宇宙的曲率，溫度漲落能告訴我們些什么。

　　來自宇宙微波背景輻射的光在傳播過程中會根據(jù)宇宙的曲率發(fā)生偏折，這些光到達(dá)觀測者眼里，使得溫度漲落的亮斑看起來和實際尺寸有所不同，這被稱為引力透鏡效應(yīng)。如果宇宙的曲率為正（如下圖左），亮斑看起來會比平坦宇宙中的更大一些；如果宇宙的曲率為負(fù)（下圖右），則亮斑看起來會更小一些。根據(jù)這條線索，天文學(xué)家可以將實際觀測到的亮斑大小與理論預(yù)測值對比，由此判斷宇宙是不是平坦的。

　　根據(jù)1998年毫米波段氣球觀天計劃（BOOMERanG）收集的宇宙微波背景輻射數(shù)據(jù)，科學(xué)家們判斷，實際的宇宙和宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測的平坦宇宙是一致的。這個結(jié)論被科學(xué)界普遍接受。這樣看來，我們的宇宙更像是一張平面，而不是球面或者馬鞍面。

　　當(dāng)然，后來也有科學(xué)家提出質(zhì)疑。2019年11月一支國際研究團(tuán)隊在《自然·天文學(xué)》發(fā)表過一篇文章，根據(jù)普朗克衛(wèi)星拍攝的更為精確的宇宙微波背景輻射圖分析得到，實際的引力透鏡效應(yīng)要比預(yù)測的更強(qiáng)一些。為了解釋這個現(xiàn)象，宇宙的曲率需要是正的，也就是說，我們的宇宙更可能是三維的球面。不過，這個結(jié)論也引來了許多爭議，比如2020年2月，有研究人員運用新的方法處理普朗克衛(wèi)星的數(shù)據(jù)，提出所謂正曲率只是統(tǒng)計上的偏差。目前科學(xué)界主流依然認(rèn)為宇宙是平坦的。

　　而關(guān)于宇宙的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，溫度漲落又能告訴我們些什么呢？

　　今年7月發(fā)表于預(yù)印本網(wǎng)站arXiv上的一篇文章探討了這個問題。研究人員關(guān)注到宇宙微波背景輻射上任意兩點的溫度漲落的相關(guān)性，并把相關(guān)性寫成兩點距離（以角度表示）的函數(shù)。對普朗克衛(wèi)星收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行如此處理后，研究人員發(fā)現(xiàn)，兩點相距在60°~140°之間時，其溫度漲落不具有相關(guān)性；而在無限大宇宙模型中，任何角度上的溫度漲落相關(guān)性都存在。

　　研究人員推測，如果宇宙的大小是有限的，一些溫度漲落的模式會被抑制，因而在一些角度上不具有相關(guān)性。而假設(shè)宇宙的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是三維環(huán)面，就能保證宇宙既是平坦的，又是有限的。

　　研究人員對三維環(huán)面的宇宙進(jìn)行了模擬，當(dāng)這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的宇宙的大小是可觀測宇宙的3~4倍時，模擬得到的宇宙微波背景輻射溫度漲落相關(guān)性函數(shù)非常接近實際觀測。

　　這意味著，我們的宇宙很可能看起來像個三維的甜甜圈面。

　　未來的研究

　　不過對于宇宙的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，或許我們不該這么早下結(jié)論。宇宙學(xué)研究的一個麻煩在于，宇宙只有一個，我們沒有大量的樣本來進(jìn)行比較；宇宙的演化只有一次，我們今天看到的宇宙的樣子，不排除是一系列偶然事件的結(jié)果。例如，一個無限大的平坦宇宙并非不能產(chǎn)生科學(xué)家們觀測到的溫度漲落相關(guān)性規(guī)律，只不過這樣的概率比甜甜圈狀的宇宙小了許多而已。

　　我們或許不必著急，因為幾項新的觀測計劃正在進(jìn)行中。例如位于智利的西蒙斯天文臺（Simons Observatory）正在執(zhí)行觀測任務(wù)，其目標(biāo)是繪制出比普朗克衛(wèi)星精度更高的宇宙微波背景輻射極化圖，第一份數(shù)據(jù)將于2022年獲得。再比如，歐洲航天局（ESA）計劃在2022年發(fā)射“歐幾里得”號衛(wèi)星，作為普朗克衛(wèi)星的接替和補(bǔ)充，將繼續(xù)探索宇宙膨脹的歷史以及宇宙結(jié)構(gòu)的形成過程。我們期待在新的觀測結(jié)果出現(xiàn)后，關(guān)于宇宙的形狀，科學(xué)家們又會有新的討論。

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