我們所在的宇宙有形狀嗎？它的形狀是什么？是無限還是有限？

大家有沒有考慮過這樣的問題。

對于這個問題，天文學(xué)家又是如何探索的。

要了解一個物體真實的形狀，最直接的辦法可能就是從外面去看它。

但對于宇宙來說我們要怎么去看它呢？

宇宙有外面嗎，或者就算是有，我們能去宇宙的外面嗎？

顯然，這是我們無法辦到的事情。

所以，身在宇宙之中我們要怎么探索宇宙的形狀。

天文學(xué)家說，我們可以根據(jù)宇宙中物質(zhì)的密度來推測。

為什么根據(jù)密度就可以推測宇宙的形狀？

臨界密度

1915年的時候，愛因斯坦發(fā)表了廣義相對論。

這是一個劃時代的引力理論。

這個理論告訴我們，質(zhì)量可以使得時空彎曲。

所以在一個充滿物質(zhì)的宇宙中，它的幾何形狀是由其中物質(zhì)的含量來決定。

而在大爆炸模型下，宇宙在膨脹。

所以宇宙最終的形態(tài)是由向外膨脹的因素和產(chǎn)生引力的物質(zhì)含量共同決定。

據(jù)此，天文學(xué)家推測出了一個臨界密度（就是宇宙物質(zhì)的含量剛好可以阻止膨脹的一個臨界值）。

它的數(shù)值大約為9.×10^{-27}千克/立方米。

這個密度差不多就是每立方米的空間包含5個質(zhì)子。

這是很小很小的一個密度，比我們?nèi)嗽煺婵湛臻g的密度小的多的多。

宇宙的密度

如果我們觀測到宇宙的密度大于這個臨界密度，那么宇宙在未來膨脹之后還會重新坍縮，所以它是一個封閉有限的宇宙，就像球形那樣。

如果密度小于臨界密度，宇宙將會一直膨脹永無休止，它的曲率為負(fù)，形狀有點像擁有雙曲的馬鞍面。

若實際密度等于臨界密度，引力恰好可以阻止膨脹，未來某個時刻它將停止膨脹但不會重新坍縮，這樣的宇宙曲率為零，幾何形狀是一個平坦的宇宙。

所以，宇宙的形狀是什么就看它的真實密度是多少，

是多少呢？

天文學(xué)家實際觀測到的宇宙實際密度幾乎接近臨界密度。

這是一個令人困惑的結(jié)果。

因為這個結(jié)果預(yù)示著宇宙的幾何形狀似乎是一個平坦的宇宙。

普朗克衛(wèi)星探測宇宙微波背景輻射時其結(jié)果也趨向于平坦。

所以大爆炸為何會炸出一個平坦的宇宙呢？

這確實令人很困惑。

尋找宇宙的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

不過對于這個平坦，天文學(xué)家并不認(rèn)為宇宙的形狀只是像平面那么簡單。

平坦，在歐幾幾何中會有這樣的特性，兩條平行線永遠(yuǎn)平行，它們不會相交也不會發(fā)散，三角形的和永遠(yuǎn)都是180°。

但我們所在的宇宙并不只是二維。

在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，歐幾平面只是擁有這個平坦特性的一種。

三維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中它還會擁有其它復(fù)雜的形狀。

比如圓柱體、圓環(huán)體、莫比烏斯環(huán)等等。

事實上，擁有平坦幾何的拓?fù)涮煳膶W(xué)家已經(jīng)知曉18種。

所以，平坦的宇宙并不一定只是簡單的平面，它也可以擁有一些我們想象不到的形狀。

所以探索宇宙整體的形狀我們不能只是以曲率來了解，我們還要探索它的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

這才是我們了解宇宙整體幾何形狀的途徑。

那么宇宙到底是簡單的平面還是擁有復(fù)雜的形狀呢？

2004年的時候天文學(xué)家提出了一個驗證的方法。

若宇宙是像歐幾平面那樣的平坦宇宙，它具有單連通的屬性，觀察者和光源只有一條可連接的路徑。

若宇宙是像甜甜圈那樣復(fù)雜的形狀，宇宙將是有限的宇宙具有多連通的屬性，觀察者和光源會存在多條連通的路徑。

這樣，我們在宇宙不同的空間將會看到同一光源的重復(fù)像。

所以，若是需找到了這樣的特征。

我們將可以推測，宇宙雖然平坦，但它也具有復(fù)雜的形狀。

2004年天文學(xué)家就是以這樣的思路在宇宙微波背景輻射中尋找重復(fù)的信號。

不過很遺憾，他們并沒有找到。

新的探索

十年后，2024年，他們分析了之前失敗的原因。

原因可能是宇宙微波背景輻射還沒有貫穿整個宇宙，所以有的光還沒有被我們看到，那么那些重復(fù)的信號也就無法出現(xiàn)。

所以他們又提出了新的思路，這個思路相當(dāng)于聽聲辨別。

他們認(rèn)為，復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)肯定會影響微波背景輻射中光子的密度，就像固定的琴弦只能發(fā)出固定的聲音。

所以，他們將識別微波背景輻射中那些異常的密度漲落，就像尋找旋律那樣，從而探索宇宙的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

后續(xù)能不能成功呢。

我們拭目以待！

這就是天文學(xué)家探索宇宙形狀的方法。

我是騰寶，一個熱愛天文的科普創(chuàng)作者，還希望大家多多關(guān)注與支持