宇宙的形状是什么样的？
宇宙的形状是什么样的？
宇宙的形状是什么样的？这是一个令人着迷的科学问题。从广义相对论到宇宙微波背景辐射，从临界密度到3-torus形状，科学家们通过各种方法试图揭示宇宙的真实面貌。本文将带你走进宇宙几何学的奇妙世界，探索这个宇宙最根本的奥秘。
普朗克看到的微波天空。这幅微波天空的多频全天空图像是使用普朗克的数据合成的，覆盖了30 GHz至857 GHz的电磁频谱。（图片来源：ESA、HFI、LFI联盟）
当我们思考宇宙的形状时，我们可能会想象一个从外部看到的物体。然而，这种思维方式并不适用于宇宙，因为宇宙没有外部。我们不能像观察银河系那样从外部观察宇宙，因为宇宙包含了所有存在的事物。
在讨论宇宙的形状时，我们实际上是在谈论空间的几何形状。例如，在平面上，三角形的角度加起来总是180度，但在曲面上，它们加起来可以大于或小于180度。在平面上，平行线只要延伸，就会保持平行，但在曲面上，它们可以会聚、发散或交叉。这些特性可以帮助我们理解宇宙的几何形状。
是什么塑造了宇宙？
根据广义相对论，物质的引力效应会影响空间的曲率，但大爆炸期间的量子效应也会影响宇宙的形状。宇宙的几何形状是由宇宙中物质的密度决定的。阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论描述了物质如何弯曲空间，因此物质的密度可以在最大尺度上控制空间的曲率和几何形状。
关键值是“临界密度”，用希腊字母ω（）表示。如果宇宙平均每立方米含有六个氢原子，则具有临界密度。但物质并没有均匀地分布在整个宇宙中。我们之所以知道这一点，是因为我们看到它集中在星系内，而不存在于星系之间的间隙中。然而，当我们谈论宇宙中物质的密度时，我们想象的是将宇宙中的每个原子（其中四分之三是氢）均匀地分布在空间中。
还有暗物质，我们只能从它的引力效应中推断出来，但我们知道它必须占宇宙中所有物质的85%左右。掌握宇宙中暗物质的数量对于弄清楚它的几何形状和命运至关重要。
宇宙是球体还是平面？
宇宙是平坦的还是像球体（封闭的）一样弯曲的，取决于物质密度与临界密度的接近程度。测量表明，密度几乎与临界密度相匹配，临界密度表明宇宙是平坦的。
宇宙的真实形状是什么？
平坦的宇宙具有欧几里德几何，它可以采用的最简单的形状是片状。平坦宇宙还可能有其他更复杂的形状，比如“三层”。
如何测量宇宙的形状
美国国家航空航天局的威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）和欧洲航天局的普朗克任务测量了宇宙的物质能量密度，都发现ω等于临界密度。换句话说，宇宙似乎有一个平坦的几何形状。
我们的宇宙有哪些可能的形状？
WMAP和普朗克非常精确地测量了欧米茄，宇宙学家非常有信心宇宙是平的。然而，一个名为异常和宇宙拓扑观测、模型和预测合作组织（COMPACT）的国际团队发现，平坦的宇宙并不一定排除复杂的形状。在他们的研究论文中，他们专注于一种被称为3-torus的形状。
一维圆被称为1-环面。二维的2-torus是一个甜甜圈形状。现在想象一个三维的三层。想象一个立方体从内到外翻转，两侧弯曲翘曲，直到它们彼此面对并接触。这是一个3-tors。有三种类型：这个基本示例，然后一个扭曲90度，另一个扭曲180度。COMPACT团队表示，3层形状的家族可以保持平坦的欧几里德几何的印象。
从理论上讲，3个或其他一些奇特的形状可能是大爆炸期间发生的量子效应的结果，并塑造了宇宙随后的展开方式。那么，我们怎么知道我们是否生活在一个三层宇宙中呢？空间弯曲的方式意味着，当光沿着这个复杂环路的不同路径传播时，我们会在天空的不同部分看到宇宙同一部分的重复图像。这就像生活在一个充满镜子的宇宙大厅里。我们需要做的就是识别这些重复的图像。
COMPACT团队研究了宇宙微波背景辐射（CMB）——大爆炸留下的辐射——寻找任何模式。他们没有找到任何，但有两个警告。其中一个原因是，3个轨道的规模可能非常大，以至于围绕其中一个轨道传播的光还没有时间到达我们这里。另一个是，尽管如果长度尺度足够小，则排除了标准的3度版本，但尚未排除90度和180度扭曲版本。这是因为它们扭曲了重复的图像，使识别它们变得更加复杂，而在CMB中对这种扭曲的重复模式的全面搜索尚未进行。
COMPACT团队表示，即使排除了所有三层形状，也有18种数学上可能的形状与平坦宇宙一致，其中之一可能是我们宇宙的真实形状。