要了解一个物体真实的形状，最直接的办法可能就是从外面去看它。但宇宙是我们生活的地方，我们身处其中，没办法跑到宇宙外面去看它到底长啥样。那咋整呢？天文学家说，咱可以根据宇宙中物质的密度来推测 。

为啥根据密度就可以推测宇宙的形状呢？这就得提到 1915 年爱因斯坦发表的广义相对论，这可是个划时代的引力理论。这个理论告诉我们，质量能让时空弯曲。所以在一个满是物质的宇宙里，它的几何形状是由里面物质的含量决定的。而且在大爆炸模型下，宇宙一直在膨胀。这么一来，宇宙最终会长成啥样，就由向外膨胀的劲儿和产生引力的物质含量共同决定了。

根据这个，天文学家推测出了一个临界密度，就是宇宙物质的含量刚好能阻止膨胀的一个临界值。它的数值大概是 9.×10^{-27} 千克 / 立方米 ，这密度小得很，差不多每立方米的空间里才有 5 个质子，比咱们人造的真空空间密度还小得多得多。

要是我们观测到宇宙的密度比这个临界密度大，那宇宙在未来膨胀之后还会重新坍缩，这样的宇宙就是封闭有限的，形状有点像球形；要是密度小于临界密度，宇宙就会一直膨胀下去，永无休止，它的曲率是负的，形状有点像双曲马鞍面；要是实际密度等于临界密度，引力刚好能阻止膨胀，未来某个时刻它会停止膨胀但不会重新坍缩，这样的宇宙曲率为零，几何形状就是一个平坦的宇宙。所以啊，宇宙到底是啥形状，就看它的真实密度是多少。

天文学家实际观测到的宇宙实际密度，几乎接近临界密度，这结果就预示着宇宙的几何形状好像是一个平坦的宇宙。普朗克卫星探测宇宙微波背景辐射时，结果也倾向于宇宙是平坦的。那问题来了，大爆炸咋就炸出了一个平坦的宇宙呢？

不过对于这个 “平坦”，天文学家可不认为宇宙的形状就像平面那么简单。在欧几里得几何里，平坦有这样的特性，两条平行线永远平行，不会相交也不会发散，三角形的内角和永远都是 180°。但咱所在的宇宙可不止二维，在拓扑结构里，欧几里得平面只是拥有平坦特性的一种。在三维拓扑结构中，它还有其他复杂的形状，比如说圆柱体、圆环体、莫比乌斯环等等。事实上，拥有平坦几何的拓扑结构，天文学家已经知道有 18 种了。所以，平坦的宇宙不一定就是简单的平面，它也可能有一些咱想象不到的形状。这么看来，探索宇宙整体的形状，咱不能只看曲率，还得探索它的拓扑结构，这才是了解宇宙整体几何形状的正确途径。

2004 年的时候，天文学家提出了一个验证的方法。要是宇宙像欧几里得平面那样是平坦宇宙，它就有单连通的属性，观察者和光源只有一条可连接的路径。要是宇宙像甜甜圈那样有着复杂的形状，那宇宙就是有限的，具有多连通的属性，观察者和光源就会存在多条连通的路径。这样一来，在宇宙不同的空间，我们就可能看到同一光源的重复像。所以，要是能找到这样的特征，我们就可以推测，宇宙虽然平坦，但也有复杂的形状。2004 年，天文学家就是按这个思路，在宇宙微波背景辐射里找重复的信号。

结果呢，十年后，也就是 2024 年，他们分析了之前失败的原因。可能是宇宙微波背景辐射还没贯穿整个宇宙，有些光还没被我们看到，那些重复的信号自然也就出不来。所以他们又想出了新的思路，这思路有点像听声辨别。他们觉得，复杂的拓扑结构肯定会影响微波背景辐射中光子的密度，就好比固定的琴弦只能发出固定的声音。所以，他们打算识别微波背景辐射里那些异常的密度涨落，就像寻找旋律那样，来探索宇宙的拓扑结构。这就是天文学家探索宇宙形状的新方法啦。

宇宙的形状这个问题，从很久之前就一直引发着人们的思考。公元前 350 年，亚里士多德就提出了宇宙是不是无限的这个问题，他觉得这个答案对探寻真理至关重要。当时他认为 “天体” 围绕地球做圆周运动，地球是宇宙的中心，所以推断宇宙必然是有限的。虽然他这逻辑有点循环论证的意思，但两千多年后的现在，我们还是不能确定宇宙到底是有限还是无限的。宇宙有可能是无边无际，在各个方向上无限延伸；也有可能是有限的形状，比如球体或者甜甜圈状。

现代的科学家们对这个问题也充满好奇，他们想出了比以前更严谨的办法来研究宇宙的整体拓扑结构。大概二十年前，科学家进行了首次测试，把多种可能的拓扑结构和天文数据里可能存在的信号联系起来。最近，一个由七个国家约 15 名科学家组成的 Compact 合作团队，又想出了寻找拓扑线索的新方法。他们在 2024 年 4 月发表的文章里提到，用上了十年前还实现不了的算力，还坚信以往对拓扑结构的搜索远远没穷尽所有重要的可能性，要想发现或者约束空间拓扑结构，还有很长的路要走。

天体物理学家尼尔・科尔尼什说，宇宙的大小和形状绝对是我们能提出的最基础、最重要的问题之一。现在已经有了大量相关数据，尽全力进行最全面的分析很有意义。比如说，1998 年，科尔尼什、格伦・斯塔克曼和戴维・斯珀格尔共同发表了《天空中的圆环》这篇论文，为探索宇宙的拓扑结构绘制了一幅地图。他们提出的技术要是能奏效，宇宙的拓扑结构得允许光在穿越接近宇宙整个存在时间的尺度后，能通过两条完全不同的路径抵达地球。

地球表面是个球体，但宇宙整体可能有其他形状，像环面，也就是类似甜甜圈的形状。在这种情况下，光线有多种路径可以绕着环面的表面传播，最后回到原点。可以绕着甜甜圈的外部环绕，也能穿过中间的孔环绕。想象一个三维表面的环面比二维的要复杂得多，不过可以用一个有特殊性质的立方体来建模。假设你生活在这样一个立方体里，它每个面都和相对的面连接在一起。你从立方体的左侧面走出去，就会从右侧面出现；从顶部穿越，就会到底部出现；从前面穿越，会从后面出现。

在《天空中的圆环》这篇论文里，他们解释了宇宙学数据是怎么揭示宇宙可能具有类似三维环面这样的拓扑结构的原因。他们建议在宇宙微波背景辐射里找证据。宇宙微波背景辐射是来自宇宙早期的持续光子流，从四面八方抵达地球，能让我们窥见大爆炸后仅 38 万年时宇宙的模样，那时候光首次在宇宙中自由传播。通过观测现在的光子，我们能绘制出一个球面，叫最后散射面，这是宇宙早期的一个快照，整个表面的亮度和温度特别均匀，不同位置的变化也就十万分之一。

本质上，最后散射面这个球面是我们能看到的最远的东西。他们把宇宙想象成一个三维环面，先构想一个长方体盒子。要是把最后散射面这个球面放在盒子中间，尺寸不完全吻合的话，球面就会从长方体的侧面挤出来。观察球面与盒子相交的地方，会在盒子相对两侧发现两个圆圈，因为盒子相对两侧是相同的，这两个圆圈也是完全相同的。基于这个原理，我们就可以在宇宙微波背景辐射的天空对立面，寻找看起来相同的圆环了。

研究人员利用威尔金森微波各向异性探测器的宇宙微波背景辐射数据，对这些圆环进行了详尽的搜索。科尔尼什说，他们最初用 WMAP 数据搜索，没发现圆环，这可能意味着宇宙是广袤无垠的。但还有一种可能，就是宇宙是有限的，只是比最后散射面大得多，在这种情况下，最后散射面的球面就不会和比它更大的宇宙空间相交。为了推进研究，斯塔克曼他们就得找到一种适用于可观测范围之外宇宙的技术。

Compact 研究团队的新方法，基于数学家马克・卡茨在 1966 年发表的一篇论文里提出的旧想法。斯塔克曼一直知道这篇论文，还意识到要是圆环测试不行，这个方法可能会为探索宇宙拓扑结构提供另一种途径。马德里理论物理研究所的物理学家亚沙尔・阿克拉米是 Compact 项目的合作者之一，他解释了卡茨工作的前提：要是闭上眼睛听到鼓发出的声音，能不能分析这个声音，确定其频率和各种模式的振幅，然后从声音反推出鼓的形状？Compact 团队就打算用这个方法来研究宇宙，通过分析宇宙微波背景辐射和其他宇宙学数据里留下印记的声波，来推测宇宙的结构。

宇宙微波背景辐射里有细微变化，最后散射面上的一些斑点比平均温度略高，有些则略低。这些图案是由声波在早期宇宙的等离子体中传播产生的。声波源于宇宙大爆炸最初阶段快速膨胀时，空间结构中微小的量子波动，就像往池塘里随机扔不同大小的石子产生的波纹。波峰对应温度或密度略高的区域，波谷对应温度或密度较低的区域。这种图案被印刻在宇宙微波背景里。不过，光看一张宇宙微波背景辐射图，可没法直接看到波的形状。研究人员还得详细研究统计相关性，测量波谷和波峰的尺寸分布，这就像分析一段嘈杂的音乐，试图还原乐谱，找出宇宙在诞生时 “演奏” 的音符。凯斯西储大学的 Compact 团队成员克雷格・科皮说，短笛和大号都是管乐器，但能轻松听出区别，因为它们产生的音符不同。具有特定拓扑结构的宇宙，可能会放大某些音符，削弱另一些音符。

你瞧，探索宇宙的形状可太有意思了，科学家们一直在努力，从不同角度去研究、去推测。说不定哪天，我们真能搞清楚宇宙到底是啥形状呢！希望大家对这些奇妙的科学知识能一直保持好奇，要是觉得这文章不错，就动动你那发财的小手点个赞、关注一下呗，保准你往后财运亨通，干啥都顺！