天體物理學家：宇宙實際上可能是超大型3D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，物理學家可能會測量它的大小。

“我們可以說：現在我們知道了宇宙的大小，”法國里昂大學天體物理研究中心的天體物理學家 Thomas Buchert 在一封電子郵件中向媒體表示。

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。

這樣的宇宙是有限的，根據他們的結果，我們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。

在宇宙學背景下，這種語言將整個宇宙的內容—— 暗物質、暗能量、常規物質、輻射和所有其他物質——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，尤其是來自宇宙微波背景（當我們的宇宙只有 380，000 年曆史時釋放的閃光）的觀測，已經堅定地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 拓撲學，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。他們沒有告訴我們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。

雖然一個完美平坦的宇宙會延伸到 無窮大，但一個具有多重連線拓撲的平坦宇宙將具有有限的大小。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那個維度上是有限的。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揭示自己呢？

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）。當 CMB 被釋放時，我們的宇宙比今天小一百萬倍，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，包裹發生的尺度超過可觀測極限的可能性要大得多，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——顛簸和擺動的奇特物理術語。如果我們宇宙中的一個或多個維度要與它們自己連線起來，那麼擾動就不會大於這些環周圍的距離。他們根本不適合。

換句話說：擾動會有一個最大尺寸，這可以揭示宇宙的拓撲結構。

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。Buchert 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 的樣子進行了許多計算機模擬，這是一個巨大的三維甜甜圈的數學名稱，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，”Buchert 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’。”

缺失功率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氣泡大三到四倍，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，宇宙正在以比光速更快的速度膨脹，所以你永遠無法趕上並完成這個迴圈。

Buchert 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。

前瞻經濟學人APP資訊組

參考資料：

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