宇宙学家尝试新方法测量宇宙的形状

摘要

宇宙究竟是无限延伸的还是有限的？这一问题自亚里士多德时代以来就一直困扰着人类。2024年，一个名为Compact的国际科学家团队提出了一种创新方法，试图通过分析宇宙微波背景辐射中的声波模式来推断宇宙的整体拓扑结构。这种方法借鉴了数学家Mark Kac提出的"听鼓辨形"思想，为探索宇宙形状开辟了新路径。

内容框架与概述

宇宙形状的研究是宇宙学中最根本的问题之一。传统的"圆圈在天空中"方法试图通过寻找宇宙微波背景辐射中的匹配圆圈来确定宇宙拓扑，但基于WMAP和Planck卫星数据的研究未能发现此类圆圈。这一失败可能意味着宇宙是无限的，或者其尺度远超我们可观测范围。

Compact团队采用的新方法转向分析CMB中的声波模式。早期宇宙中的声波在CMB温度分布中留下了独特印记，这些印记类似于乐器发出的音符。通过研究这些"宇宙音符"的统计特性，特别是某些角度尺度上温度相关性的异常缺失，科学家希望能够推断出宇宙的拓扑结构。

团队首先研究17种平坦空间拓扑结构，从简单的三维环面到复杂的多环面配置。他们还计划探索具有正曲率的拓扑结构，并通过分析星系分布的三维数据来补充CMB研究。尽管这一项目被认为是"低概率、高回报"的研究，但其科学价值使得探索变得必要。

核心概念及解读

宇宙拓扑结构：指宇宙在大尺度上的整体连通性质。如果宇宙具有非平凡的拓扑结构（如三维环面），沿某个方向行进最终可能回到起点。这种结构会在可观测宇宙中留下可探测的印记。

圆圈测试：由Cornish等人于1998年提出的方法，假设宇宙如果具有多环面拓扑，CMB中应存在匹配的圆圈。Planck卫星数据未发现此类圆圈，这限制了宇宙拓扑的尺度或排除了简单模型。

听鼓辨形：数学家Mark Kac的思想，即通过分析振动模式的频谱来推断物体的形状。Compact团队将其应用于宇宙学，通过分析CMB中的声波模式来推断宇宙拓扑。

宇宙微波背景辐射声波：早期宇宙中光子与重子流体相互作用产生的声波，在CMB温度分布中留下了特征性的角度尺度结构。这些声波模式承载了宇宙几何和拓扑的信息。

多环面宇宙：一类可能的宇宙拓扑结构，通过将平坦空间的相对面进行周期性识别而构造。最简单的是三维环面，更复杂的结构涉及在不同方向上进行扭曲或旋转后识别。