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。但宇宙是我們生活的地方，我們身處其中，沒辦法跑到宇宙外面去看它到底長啥樣。那咋整呢？天文學家說，咱可以根據宇宙中物質的密度來推測 。

為啥根據密度就可以推測宇宙的形狀呢？這就得提到 1915 年愛因斯坦發表的廣義相對論，這可是個劃時代的引力理論。這個理論告訴我們，質量能讓時空彎曲。所以在一個滿是物質的宇宙里，它的幾何形狀是由里面物質的含量決定的。而且在大爆炸模型下，宇宙一直在膨脹。這么一來，宇宙最終會長成啥樣，就由向外膨脹的勁兒和產生引力的物質含量共同決定了。

根據這個，天文學家推測出了一個臨界密度，就是宇宙物質的含量剛好能阻止膨脹的一個臨界值。它的數值大概是 9.×10^{-27} 千克 / 立方米 ，這密度小得很，差不多每立方米的空間里才有 5 個質子，比咱們人造的真空空間密度還小得多得多。

要是我們觀測到宇宙的密度比這個臨界密度大，那宇宙在未來膨脹之后還會重新坍縮，這樣的宇宙就是封閉有限的，形狀有點像球形；要是密度小于臨界密度，宇宙就會一直膨脹下去，永無休止，它的曲率是負的，形狀有點像雙曲馬鞍面；要是實際密度等于臨界密度，引力剛好能阻止膨脹，未來某個時刻它會停止膨脹但不會重新坍縮，這樣的宇宙曲率為零，幾何形狀就是一個平坦的宇宙。所以啊，宇宙到底是啥形狀，就看它的真實密度是多少。

天文學家實際觀測到的宇宙實際密度，幾乎接近臨界密度，這結果就預示著宇宙的幾何形狀好像是一個平坦的宇宙。普朗克衛星探測宇宙微波背景輻射時，結果也傾向于宇宙是平坦的。那問題來了，大爆炸咋就炸出了一個平坦的宇宙呢？

不過對于這個 “平坦”，天文學家可不認為宇宙的形狀就像平面那么簡單。在歐幾里得幾何里，平坦有這樣的特性，兩條平行線永遠平行，不會相交也不會發散，三角形的內角和永遠都是 180°。但咱所在的宇宙可不止二維，在拓撲結構里，歐幾里得平面只是擁有平坦特性的一種。在三維拓撲結構中，它還有其他復雜的形狀，比如說圓柱體、圓環體、莫比烏斯環等等。事實上，擁有平坦幾何的拓撲結構，天文學家已經知道有 18 種了。所以，平坦的宇宙不一定就是簡單的平面，它也可能有一些咱想象不到的形狀。這么看來，探索宇宙整體的形狀，咱不能只看曲率，還得探索它的拓撲結構，這才是了解宇宙整體幾何形狀的正確途徑。

2004 年的時候，天文學家提出了一個驗證的方法。要是宇宙像歐幾里得平面那樣是平坦宇宙，它就有單連通的屬性，觀察者和光源只有一條可連接的路徑。要是宇宙像甜甜圈那樣有著復雜的形狀，那宇宙就是有限的，具有多連通的屬性，觀察者和光源就會存在多條連通的路徑。這樣一來，在宇宙不同的空間，我們就可能看到同一光源的重復像。所以，要是能找到這樣的特征，我們就可以推測，宇宙雖然平坦，但也有復雜的形狀。2004 年，天文學家就是按這個思路，在宇宙微波背景輻射里找重復的信號。

結果呢，十年后，也就是 2024 年，他們分析了之前失敗的原因。可能是宇宙微波背景輻射還沒貫穿整個宇宙，有些光還沒被我們看到，那些重復的信號自然也就出不來。所以他們又想出了新的思路，這思路有點像聽聲辨別。他們覺得，復雜的拓撲結構肯定會影響微波背景輻射中光子的密度，就好比固定的琴弦只能發出固定的聲音。所以，他們打算識別微波背景輻射里那些異常的密度漲落，就像尋找旋律那樣，來探索宇宙的拓撲結構。這就是天文學家探索宇宙形狀的新方法啦。

宇宙的形狀這個問題，從很久之前就一直引發著人們的思考。公元前 350 年，亞里士多德就提出了宇宙是不是無限的這個問題，他覺得這個答案對探尋真理至關重要。當時他認為 “天體” 圍繞地球做圓周運動，地球是宇宙的中心，所以推斷宇宙必然是有限的。雖然他這邏輯有點循環論證的意思，但兩千多年后的現在，我們還是不能確定宇宙到底是有限還是無限的。宇宙有可能是無邊無際，在各個方向上無限延伸；也有可能是有限的形狀，比如球體或者甜甜圈狀。

現代的科學家們對這個問題也充滿好奇，他們想出了比以前更嚴謹的辦法來研究宇宙的整體拓撲結構。大概二十年前，科學家進行了首次測試，把多種可能的拓撲結構和天文數據里可能存在的信號聯系起來。最近，一個由七個國家約 15 名科學家組成的 Compact 合作團隊，又想出了尋找拓撲線索的新方法。他們在 2024 年 4 月發表的文章里提到，用上了十年前還實現不了的算力，還堅信以往對拓撲結構的搜索遠遠沒窮盡所有重要的可能性，要想發現或者約束空間拓撲結構，還有很長的路要走。

天體物理學家尼爾?科爾尼什說，宇宙的大小和形狀絕對是我們能提出的最基礎、最重要的問題之一。現在已經有了大量相關數據，盡全力進行最全面的分析很有意義。比如說，1998 年，科爾尼什、格倫?斯塔克曼和戴維?斯珀格爾共同發表了《天空中的圓環》這篇論文，為探索宇宙的拓撲結構繪制了一幅地圖。他們提出的技術要是能奏效，宇宙的拓撲結構得允許光在穿越接近宇宙整個存在時間的尺度后，能通過兩條完全不同的路徑抵達地球。

地球表面是個球體，但宇宙整體可能有其他形狀，像環面，也就是類似甜甜圈的形狀。在這種情況下，光線有多種路徑可以繞著環面的表面傳播，最后回到原點。可以繞著甜甜圈的外部環繞，也能穿過中間的孔環繞。想象一個三維表面的環面比二維的要復雜得多，不過可以用一個有特殊性質的立方體來建模。假設你生活在這樣一個立方體里，它每個面都和相對的面連接在一起。你從立方體的左側面走出去，就會從右側面出現；從頂部穿越，就會到底部出現；從前面穿越，會從后面出現。

在《天空中的圓環》這篇論文里，他們解釋了宇宙學數據是怎么揭示宇宙可能具有類似三維環面這樣的拓撲結構的原因。他們建議在宇宙微波背景輻射里找證據。宇宙微波背景輻射是來自宇宙早期的持續光子流，從四面八方抵達地球，能讓我們窺見大爆炸后僅 38 萬年時宇宙的模樣，那時候光首次在宇宙中自由傳播。通過觀測現在的光子，我們能繪制出一個球面，叫最后散射面，這是宇宙早期的一個快照，整個表面的亮度和溫度特別均勻，不同位置的變化也就十萬分之一。

本質上，最后散射面這個球面是我們能看到的最遠的東西。他們把宇宙想象成一個三維環面，先構想一個長方體盒子。要是把最后散射面這個球面放在盒子中間，尺寸不完全吻合的話，球面就會從長方體的側面擠出來。觀察球面與盒子相交的地方，會在盒子相對兩側發現兩個圓圈，因為盒子相對兩側是相同的，這兩個圓圈也是完全相同的。基于這個原理，我們就可以在宇宙微波背景輻射的天空對立面，尋找看起來相同的圓環了。

研究人員利用威爾金森微波各向異性探測器的宇宙微波背景輻射數據，對這些圓環進行了詳盡的搜索。科爾尼什說，他們最初用 WMAP 數據搜索，沒發現圓環，這可能意味著宇宙是廣袤無垠的。但還有一種可能，就是宇宙是有限的，只是比最后散射面大得多，在這種情況下，最后散射面的球面就不會和比它更大的宇宙空間相交。為了推進研究，斯塔克曼他們就得找到一種適用于可觀測范圍之外宇宙的技術。

Compact 研究團隊的新方法，基于數學家馬克?卡茨在 1966 年發表的一篇論文里提出的舊想法。斯塔克曼一直知道這篇論文，還意識到要是圓環測試不行，這個方法可能會為探索宇宙拓撲結構提供另一種途徑。馬德里理論物理研究所的物理學家亞沙爾?阿克拉米是 Compact 項目的合作者之一，他解釋了卡茨工作的前提：要是閉上眼睛聽到鼓發出的聲音，能不能分析這個聲音，確定其頻率和各種模式的振幅，然后從聲音反推出鼓的形狀？Compact 團隊就打算用這個方法來研究宇宙，通過分析宇宙微波背景輻射和其他宇宙學數據里留下印記的聲波，來推測宇宙的結構。

宇宙微波背景輻射里有細微變化，最后散射面上的一些斑點比平均溫度略高，有些則略低。這些圖案是由聲波在早期宇宙的等離子體中傳播產生的。聲波源于宇宙大爆炸最初階段快速膨脹時，空間結構中微小的量子波動，就像往池塘里隨機扔不同大小的石子產生的波紋。波峰對應溫度或密度略高的區域，波谷對應溫度或密度較低的區域。這種圖案被印刻在宇宙微波背景里。不過，光看一張宇宙微波背景輻射圖，可沒法直接看到波的形狀。研究人員還得詳細研究統計相關性，測量波谷和波峰的尺寸分布，這就像分析一段嘈雜的音樂，試圖還原樂譜，找出宇宙在誕生時 “演奏” 的音符。凱斯西儲大學的 Compact 團隊成員克雷格?科皮說，短笛和大號都是管樂器，但能輕松聽出區別，因為它們產生的音符不同。具有特定拓撲結構的宇宙，可能會放大某些音符，削弱另一些音符。

你瞧，探索宇宙的形狀可太有意思了，科學家們一直在努力，從不同角度去研究、去推測。說不定哪天，我們真能搞清楚宇宙到底是啥形狀呢！希望大家對這些奇妙的科學知識能一直保持好奇，要是覺得這文章不錯，就動動你那發財的小手點個贊、關注一下唄，保準你往后財運亨通，干啥都順！