宇宙可能是個巨型甜甜圈？關於宇宙的形狀，科學家們爭論不已

大約138億年前，我們的宇宙透過大爆炸的形式誕生。在經歷了暴脹和膨脹之後，形成了今天的模樣。

如果你因為這個就認為宇宙是一個巨大的球狀結構，那就有可能大錯特錯了。有科學家認為，我們的宇宙可能是一個巨大的三維甜甜圈形狀。這是怎麼回事呢？

多年以來，科學家們一直在探討關於宇宙形狀的問題，並且為此爭論不已。爭論的焦點比如：宇宙是不是平坦的？它到底是封閉的還是開放的？這裡的平坦、封閉，和普通人想象的有所不同，而是從幾何學和拓撲學等方面來定義的。

幾何學大家還略有了解，拓撲學又是什麼呢？簡單來說，拓撲學所研究的，就是將某個幾何圖形或空間透過連續改變形狀後，還能保持一些特性不變的學科。拓撲學最早解釋的問題，就是幾何學上著名的七橋問題和四色問題。

舉個例子：在普通人看來，一張紙就是平坦的，你可以在上面畫許多的平行線。如果你將這張紙將它捲成一個圓柱體，那麼這些平行線依然是相互平行的。從這個角度來講，圓柱體也是平坦的。如果你再延伸一下，假設這張紙的彈性極佳，將它捲成的圓柱體的兩端連線在一起，就成了甜甜圈的形狀。你會發現，這些平行線依然是平行的，所以它還是平坦的。

神奇吧？

至於所謂的封閉還是開放，討論的就是這些平行線是否會相交。如果相交，那麼這個形狀就是封閉的；反之，如果發散，那就是開放的。宇宙的封閉與否，決定著宇宙未來的命運。一個平坦而又開放的宇宙，將會永遠膨脹下去，而封閉的宇宙則會迎來坍縮的命運。

所以，宇宙的形狀確實是一個非常重要的話題。

目前的許多研究都認為，我們的宇宙是平坦的。尤其是宇宙微波背景輻射，產生於宇宙大爆炸後的38萬年，被稱為宇宙大爆炸的餘暉，記錄下了許多宇宙早期的秘密。對它的研究結果也表明，宇宙是平坦的。

不過，關於宇宙的拓撲結構，我們仍然有很多的未知。我們不知道，自己所處的是不是一個多維連通宇宙，也就是說，它的一個或多個維度是不是相互連線的。

想要得到這個答案，其實是非常困難的。這是因為，這些維度的自我封閉，或許存在於極大的尺度，甚至超出了可觀測宇宙的範圍，進入到了不可觀測宇宙的空間內。如果是這樣的，那麼我們確實無法觀測到。

不過，我們知道，宇宙是隨著年齡的增大而在空間上變大的，如果我們能回溯遙遠的歷史，就可能看到當時還“不太大”的宇宙，其維度的封閉就在我們可觀測範圍內了。沒錯，這就要提到剛才我們說的宇宙微波背景輻射了。它產生的時候，宇宙的尺寸比現在小得多，可以供我們觀測。如果宇宙在那個時候就是多維度連線的，那麼今天也應該保持這個性質。

最近，來自於德國烏爾姆大學和法國里昂大學的一個天體物理學家團隊，藉助美國宇航局的WMAP和歐洲航天局普朗克衛星等裝置繪製的宇宙微波背景輻射地圖，對宇宙微波背景輻射溫度中的波動進行了研究。他們指出，這種波動從尺度範圍會有一個極限，這個極限就能告訴我們宇宙的結構秘密。

法國里昂大學天體物理研究中心的天體物理學家Thomas Buchert解釋說：“在一個無限的空間裡，宇宙微波背景輻射溫度的擾動會在全部尺度下都存在。不過，如果空間是有限的，那麼當波長超過空間尺寸時，這部分波長就會丟失。”

為了進行這項研究，科學團隊進行了大量的計算機模擬過程。他們認為，如果宇宙真的是想象中的三維甜甜圈結構，那麼我們的宇宙在三個維度上應該都是自我封閉的。透過這樣的模擬，我們可以看到這種情況下宇宙微波背景輻射是什麼樣的。

Buchert介紹：“我們需要在一個特定的拓撲結構中進行模擬，然後與觀測到的資料進行對比。而隨後對於宇宙微波背景輻射波動的屬性，在超出宇宙尺度的範圍內呈現出了一種‘缺失的力’。”這種所謂缺失的力，就是指這種波動在此範圍內並不存在。這也印證了上面的觀點，我們的宇宙很可能確實是多維連通的。

研究結果證明，和所謂的無限宇宙模型相比，有限的宇宙更符合觀測到的現象。他們隨後不斷模擬不同尺寸的宇宙尺度，結果發現了最匹配這種波動的資料，那就是整個宇宙（包括不可觀測宇宙）的尺寸大約是可觀測宇宙的3-4倍。

此前很多人也想象，宇宙會不會是一種四維的球狀結構，也就是朝一個方向永遠飛行下去，就會從另一個方向回到原點，就像是地球的南北極一樣。這項研究告訴我們，雖然不是想象的那種四維結構，但三維甜甜圈結構的宇宙同樣是這樣的。只不過，這種旅行只能停留在想象層面，因為宇宙的膨脹速度還是超過了光速的，我們永遠到不了“盡頭”。

研究人員還指出，目前這些研究成果還只是初步的，還有其他原因可能解釋一部分“缺失的力”，這需要未來更多的研究。不過想一想，一個像甜甜圈一樣的宇宙，還確實是很有趣呢。