我們所在的宇宙有形狀嗎？它的形狀是什麼？是無限還是有限？
大家有沒有考慮過這樣的問題。
對於這個問題，天文學家又是如何探索的。
方法
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。
但對於宇宙來說我們要怎麼去看它呢？
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麼探索宇宙的形狀。
天文學家說，我們可以根據宇宙中物質的密度來推測。
為什麼根據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，質量可以使得時空彎曲。
所以在一個充滿物質的宇宙中，它的幾何形狀是由其中物質的含量來決定。
而在大爆炸模型下，宇宙在膨脹。
所以宇宙最終的形態是由向外膨脹的因素和產生引力的物質含量共同決定。
據此，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可以阻止膨脹的一個臨界值）。
它的數值大約為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個質子。
這是很小很小的一個密度，比我們人造真空空間的密度小的多的多。
宇宙的密度
如果我們觀測到宇宙的密度大於這個臨界密度，那麼宇宙在未來膨脹之後還會重新坍縮，所以它是一個封閉有限的宇宙，就像球形那樣。
如果密度小於臨界密度，宇宙將會一直膨脹永無休止，它的曲率為負，形狀有點像擁有雙曲的馬鞍面。
若實際密度等於臨界密度，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，宇宙的形狀是什麼就看它的真實密度是多少，
是多少呢？
天文學家實際觀測到的宇宙實際密度幾乎接近臨界密度。
這是一個令人困惑的結果。
因為這個結果預示着宇宙的幾何形狀似乎是一個平坦的宇宙。
普朗克衛星探測宇宙微波背景輻射時其結果也趨向於平坦。
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。
尋找宇宙的拓撲結構
不過對於這個平坦，天文學家並不認為宇宙的形狀只是像平面那麼簡單。
平坦，在歐几几何中會有這樣的特性，兩條平行線永遠平行，它們不會相交也不會發散，三角形的和永遠都是180°。
但我們所在的宇宙並不只是二維。
在拓撲結構中，歐幾平面只是擁有這個平坦特性的一種。
三維拓撲結構中它還會擁有其它複雜的形狀。
比如圓柱體、圓環體、莫比烏斯環等等。
事實上，擁有平坦幾何的拓撲天文學家已經知曉18種。
所以，平坦的宇宙並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撲結構。
這才是我們了解宇宙整體幾何形狀的途徑。
那麼宇宙到底是簡單的平面還是擁有複雜的形狀呢？
2004年的時候天文學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複雜的形狀，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複像。
所以，若是需找到了這樣的特徵。
我們將可以推測，宇宙雖然平坦，但它也具有複雜的形狀。
2004年天文學家就是以這樣的思路在宇宙微波背景輻射中尋找重複的信號。
不過很遺憾，他們並沒有找到。
新的探索
十年後，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，那麼那些重複的信號也就無法出現。
所以他們又提出了新的思路，這個思路相當於聽聲辨別。
他們認為，複雜的拓撲結構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，從而探索宇宙的拓撲結構。
後續能不能成功呢。
我們拭目以待！
這就是天文學家探索宇宙形狀的方法。
我是騰寶，一個熱愛天文的科普創作者，還希望大家多多關注與支持
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