在浩瀚無垠的宇宙探索中，一個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，認為宇宙有中心且天體圍繞地球做圓周運動，但這一觀點并未給出確鑿答案，甚至其邏輯本身也飽受爭議。

時至今日，科學(xué)家們依然在為解開這一謎團而努力。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)計出一系列嚴謹?shù)牟呗詠硖綄び钪娴恼w拓撲結(jié)構(gòu)。二十年前，科學(xué)家首次嘗試將多種可能的拓撲結(jié)構(gòu)與天文數(shù)據(jù)中的信號聯(lián)系起來，盡管當時并未取得突破性成果，但這并未阻擋科學(xué)家們前進的腳步。

近期，一個由來自七個國家的約15名科學(xué)家組成的Compact合作團隊，提出了一種全新的方法來尋找宇宙拓撲結(jié)構(gòu)的線索。他們利用十年前還無法實現(xiàn)的強大算力，堅信以往對拓撲結(jié)構(gòu)的搜索并未窮盡所有可能性。這一團隊在2024年4月于《物理評論快報》上發(fā)表的文章中，表達了他們對于探索宇宙形狀的堅定信念。

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團隊的一員，但他對這項研究表示了高度關(guān)注。他認為，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)，他強調(diào)，盡全力進行最全面的分析頗具意義。

Compact合作團隊的研究基于25年前的一項開創(chuàng)性工作。1998年，科爾尼什、凱斯西儲大學(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，為探索宇宙的拓撲結(jié)構(gòu)繪制了一幅詳細的地圖。他們提出，如果宇宙的拓撲結(jié)構(gòu)允許光在穿越接近宇宙整個存在時間的尺度后，通過兩條完全不同的路徑抵達地球，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38萬年時宇宙的模樣。通過觀測這些光子，科學(xué)家們可以繪制出一個球面，即最后散射面?？茽柲崾?、斯珀格爾和斯塔克曼假設(shè)宇宙具有類似三維環(huán)面的拓撲結(jié)構(gòu)，并預(yù)測在宇宙微波背景輻射的天空對立面會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器（WMAP）的數(shù)據(jù)進行了詳盡的搜索，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。他們意識到，如果圓環(huán)測試無效，那么就需要找到一種適用于可觀測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年提出的一個舊想法：通過分析聲音來推斷鼓的形狀。Compact團隊計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，來推測宇宙的結(jié)構(gòu)。

宇宙微波背景輻射中存在細微的溫度變化，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團隊計劃通過分析這些聲波的統(tǒng)計相關(guān)性，來測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，具有特定拓撲結(jié)構(gòu)的宇宙可能會放大某些聲波，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。

為了驗證這一推測，Compact團隊正在繪制各種拓撲結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生的聲音圖像。他們從最簡單的拓撲結(jié)構(gòu)開始研究，逐步探索更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。同時，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撲結(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對宇宙拓撲的研究。

科爾尼什將Compact的研究視為一種“高風(fēng)險、高回報”的課題。他認為這項研究意義重大，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，因為拓撲結(jié)構(gòu)可能解釋宇宙微波背景輻射中的異?，F(xiàn)象。這些異?，F(xiàn)象包括統(tǒng)計相關(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)觀測到的圖案之間的奇怪差異。

Compact團隊的研究人員發(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)象的真實性，反而進一步支持了其物理現(xiàn)實性。他們計劃在未來5到10年內(nèi)繼續(xù)展開研究，以期找到宇宙的拓撲結(jié)構(gòu)，或者至少得出結(jié)論——宇宙太大了，我們無法探測到它的拓撲結(jié)構(gòu)，至少用現(xiàn)有的工具無法做到。