天體物理學家說，我們的宇宙是有邊際的，且形狀是一個三維甜甜圈

想象一個宇宙，在那裡你可以將一艘宇宙飛船指向一個方向並最終返回到你開始的地方。如果我們的宇宙是一個有限的甜甜圈，那麼這樣的運動是可能的，而且物理學家還能測量它的大小。

“可以說：現在我們已經知道了宇宙的大小，”法國里昂大學天體物理研究中心的天體物理學家托馬斯·布赫特在一封電子郵件中告訴《生命科學》。

透過檢查來自早期宇宙的光，布赫特和一組天體物理學家推斷，我們的宇宙可能是多重連線的，這意味著空間在所有三個維度上都是封閉的，就像一個三維甜甜圈。

這樣的宇宙是由邊際的，根據他們的結果，我們的整個宇宙可能只比可觀測宇宙的極限大三到四倍，距離我們大約 450 億光年。

物理學家使用愛因斯坦廣義相對論來解釋宇宙。該理論認為時空內一切與時空的彎曲和扭曲相聯絡，並且互動在一起。

在宇宙學背景下，這種理論將整個宇宙的內容——暗物質、暗能量、常規物質、輻射和所有其他東西——與其整體幾何形狀聯絡起來。

幾十年來，天文學家一直在爭論這種形狀的性質：我們的宇宙是“平坦的”（意味著假想的平行線將永遠保持平行）、“封閉的”（平行線最終會相交）還是“開放的”（這些線會發散） ）。

宇宙的幾何形狀決定了它的命運。平坦而開放的宇宙將永遠繼續膨脹，而封閉的宇宙最終會自行坍縮。

多次觀測，特別是來自宇宙微波背景的觀測，已經證明我們生活在一個平坦的宇宙中。平行線保持平行，我們的宇宙將繼續膨脹。

但是除了幾何形狀之外，還有更多的形狀。還有拓撲結構，即形狀如何在保持相同幾何規則的情況下發生變化。

例如，拿一張扁平的紙。它顯然是平的——平行線保持平行。現在，取那張紙的兩條邊，把它捲成一個圓柱體。這些平行線仍然是平行的：圓柱在幾何上是平的。現在，取圓柱形紙的兩端並將它們連線起來。這使得甜甜圈的形狀在幾何上也是平坦的。

雖然我們對宇宙內容和形狀的測量告訴我們它的幾何形狀——它是平坦的——但它們並沒有告訴我們拓撲結構。它們沒有表明我們的宇宙是否是多重連線的，這意味著我們宇宙的一個或多個維度相互連線。

看光

雖然一個完美平坦的宇宙會延伸到無窮遠處，但一個具有多重連線拓撲的平坦宇宙的大小是有限的。如果我們能以某種方式確定一個或多個維度是否包含在它們自身上，那麼我們就會知道宇宙在哪個維度上是有限的。然後我們可以使用這些觀察來測量宇宙的總體積。

但是，一個多重連線的宇宙將如何解釋自己呢？

來自德國烏爾姆大學和法國里昂大學的一組天體物理學家研究了宇宙微波背景 （CMB）。宇宙處在CMB被釋放出的時代，當時的宇宙比今天宇宙小一百萬倍，所以如果我們的宇宙確實是多重連線的，那麼它更有可能在當時的宇宙可觀察範圍內包裹自己。

今天，由於宇宙的膨脹，包裹發生在超出可觀察極限的尺度上的可能性要大得多，因此包裹會更難被探測到。CMB的觀測為我們提供了最好的機會，可以看到一個多重連線的宇宙的印記。

該團隊專門研究了CMB溫度中的擾動。如果我們宇宙中的一個或多個維度要與它們自身連起來，那麼擾動就不會大於這些環周圍的距離。

正如布赫特在一封電子郵件中向《生命科學》解釋的那樣，“在一個無限的空間中，CMB 輻射的溫度擾動存在於所有尺度上。然而，如果空間是有限的，那麼就會缺少那些大於空間大小的波長。”

換句話說：擾動會有一個最大尺寸，這可以

解釋

宇宙的拓撲結構。

建立聯絡

用美國宇航局的WMAP和歐空局的普朗克等衛星製作的CMB地圖已經看到了大量缺失的大尺度擾動。布赫特和他的合作者研究了那些缺失的擾動是否可能是由於多重連線的宇宙造成的。

為此，該團隊對宇宙是一個三環面時CMB的樣子用計算機進行了多次模擬，模擬顯示我們宇宙形狀是一個巨大的三維甜甜圈，我們的宇宙在所有三個維度上都與自身相連。

“因此，我們必須在給定的拓撲結構中進行模擬，並與觀察到的情況進行比較，”布赫特解釋說，“觀察到的CMB 波動的特性隨後在超出宇宙大小的尺度上顯示出‘缺失的力量’。”

缺失力量意味著在這些尺度上不存在CMB的波動。這意味著我們的宇宙在那個尺度上是多重連線的，並且是有限的。

“與被認為是無限的標準宇宙學模型相比，我們發現與觀察到的波動更好的匹配，”他補充道，“我們可以改變空間的大小並重復這個分析。結果是宇宙的最佳大小與CMB觀測最匹配。我們論文的答案顯然是有限宇宙比無限模型更好地匹配觀測。我們可以說：現在我們知道宇宙的大小了。”

該團隊發現，一個多連線的宇宙比我們可觀測到的泡泡大三到四倍，與CMB資料最匹配。雖然這個結果在技術上意味著你可以朝一個方向旅行並最終回到你開始的地方，但在現實中你將無法真正做到這一點。

我們生活在一個不斷膨脹的宇宙中，在大尺度上，宇宙以比光速還快的速度膨脹，所以你永遠無法趕上並完成這個迴圈。

布赫特強調，結果仍處於初步階段。儀器效應也可以解釋大尺度上缺失的波動。

儘管如此，想象生活在一個巨大的甜甜圈表面還是很有趣的。