在浩瀚無垠的宇宙探索中，一個(gè)古老而又深刻的問題始終困擾著人類：宇宙究竟是平坦無限的，還是擁有某種復(fù)雜而神秘的形狀？盡管古希臘哲學(xué)家亞里士多德曾在公元前350年提出宇宙有限論，認(rèn)為宇宙有中心且天體圍繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)，但這一觀點(diǎn)并未給出確鑿答案，甚至其邏輯本身也飽受爭(zhēng)議。

時(shí)至今日，科學(xué)家們依然在為解開這一謎團(tuán)而努力。他們不再滿足于單純的哲學(xué)思辨，而是借助現(xiàn)代科技，設(shè)計(jì)出一系列嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牟呗詠硖綄び钪娴恼w拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。二十年前，科學(xué)家首次嘗試將多種可能的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與天文數(shù)據(jù)中的信號(hào)聯(lián)系起來，盡管當(dāng)時(shí)并未取得突破性成果，但這并未阻擋科學(xué)家們前進(jìn)的腳步。

近期，一個(gè)由來自七個(gè)國家的約15名科學(xué)家組成的Compact合作團(tuán)隊(duì)，提出了一種全新的方法來尋找宇宙拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的線索。他們利用十年前還無法實(shí)現(xiàn)的強(qiáng)大算力，堅(jiān)信以往對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的搜索并未窮盡所有可能性。這一團(tuán)隊(duì)在2024年4月于《物理評(píng)論快報(bào)》上發(fā)表的文章中，表達(dá)了他們對(duì)于探索宇宙形狀的堅(jiān)定信念。

蒙大拿州立大學(xué)的天體物理學(xué)家尼爾·科爾尼什，雖然不是Compact團(tuán)隊(duì)的一員，但他對(duì)這項(xiàng)研究表示了高度關(guān)注。他認(rèn)為，宇宙的大小和形狀是人類能提出的最基礎(chǔ)、最重要的問題之一。鑒于已經(jīng)積累了大量相關(guān)數(shù)據(jù)，他強(qiáng)調(diào)，盡全力進(jìn)行最全面的分析頗具意義。

Compact合作團(tuán)隊(duì)的研究基于25年前的一項(xiàng)開創(chuàng)性工作。1998年，科爾尼什、凱斯西儲(chǔ)大學(xué)的理論物理學(xué)家格倫·斯塔克曼以及普林斯頓大學(xué)的戴維·斯珀格爾共同發(fā)表了《天空中的圓環(huán)》一文，為探索宇宙的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)繪制了一幅詳細(xì)的地圖。他們提出，如果宇宙的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)允許光在穿越接近宇宙整個(gè)存在時(shí)間的尺度后，通過兩條完全不同的路徑抵達(dá)地球，那么我們就可以在宇宙微波背景輻射（CMB）中尋找這一證據(jù)。

宇宙微波背景輻射是來自宇宙早期的持續(xù)光子流，揭示了大爆炸后僅38萬年時(shí)宇宙的模樣。通過觀測(cè)這些光子，科學(xué)家們可以繪制出一個(gè)球面，即最后散射面。科爾尼什、斯珀格爾和斯塔克曼假設(shè)宇宙具有類似三維環(huán)面的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并預(yù)測(cè)在宇宙微波背景輻射的天空對(duì)立面會(huì)找到看起來相同的圓環(huán)。然而，他們利用威爾金森微波各向異性探測(cè)器（WMAP）的數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳盡的搜索，卻并未發(fā)現(xiàn)任何證據(jù)。

盡管這一結(jié)果似乎表明宇宙可能是廣袤無垠的，但斯塔克曼及其同事并未放棄。他們意識(shí)到，如果圓環(huán)測(cè)試無效，那么就需要找到一種適用于可觀測(cè)范圍之外的宇宙的技術(shù)。于是，他們借鑒了數(shù)學(xué)家馬克·卡茨在1966年提出的一個(gè)舊想法：通過分析聲音來推斷鼓的形狀。Compact團(tuán)隊(duì)計(jì)劃用類似的方法來研究宇宙，通過分析宇宙微波背景輻射和其他宇宙學(xué)數(shù)據(jù)中留下印記的聲波，來推測(cè)宇宙的結(jié)構(gòu)。

宇宙微波背景輻射中存在細(xì)微的溫度變化，這些變化是由聲波在早期宇宙的等離子體中傳播而產(chǎn)生的。Compact團(tuán)隊(duì)計(jì)劃通過分析這些聲波的統(tǒng)計(jì)相關(guān)性，來測(cè)量波谷和波峰的尺寸分布，從而揭示宇宙的結(jié)構(gòu)。他們推測(cè)，具有特定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的宇宙可能會(huì)放大某些聲波，削弱另一些聲波，這可能就是宇宙微波背景輻射中某些異常現(xiàn)象的原因。

為了驗(yàn)證這一推測(cè)，Compact團(tuán)隊(duì)正在繪制各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生的聲音圖像。他們從最簡(jiǎn)單的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)開始研究，逐步探索更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。同時(shí)，他們還在研究如何利用宇宙中天體的分布來研究宇宙的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。他們希望在未來幾年內(nèi)，通過更精確的星系分布圖來推動(dòng)對(duì)宇宙拓?fù)涞难芯俊?/p>

科爾尼什將Compact的研究視為一種“高風(fēng)險(xiǎn)、高回報(bào)”的課題。他認(rèn)為這項(xiàng)研究意義重大，值得我們竭盡全力去探索。盡管目前還無法評(píng)估成功或失敗的概率，但斯塔克曼表示，他們將繼續(xù)研究下去，因?yàn)橥負(fù)浣Y(jié)構(gòu)可能解釋宇宙微波背景輻射中的異常現(xiàn)象。這些異常現(xiàn)象包括統(tǒng)計(jì)相關(guān)性中明顯的60度截止現(xiàn)象，以及太陽系軌道平面上下兩側(cè)觀測(cè)到的圖案之間的奇怪差異。

Compact團(tuán)隊(duì)的研究人員發(fā)現(xiàn)，過去幾十年積累的數(shù)據(jù)并未削弱這些異常現(xiàn)象的真實(shí)性，反而進(jìn)一步支持了其物理現(xiàn)實(shí)性。他們計(jì)劃在未來5到10年內(nèi)繼續(xù)展開研究，以期找到宇宙的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，或者至少得出結(jié)論——宇宙太大了，我們無法探測(cè)到它的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，至少用現(xiàn)有的工具無法做到。