撰文：保尔.萨特          2023年3月24日

普朗克卫星拍摄的宇宙微波背景图像。CMB（宇宙微波背景辐射）波动的大小表明宇宙是平的，但新的研究表明，它仍然可能是扭曲的。（图片：ESA/HFI/LFI联盟）

新的研究表明，事实上，宇宙可能是一个巨大的甜甜圈，尽管所有的证据都表明它像煎饼一样扁平。

研究发现，在大爆炸的回声中发现的奇怪模式，可以用形状更复杂的宇宙来解释，天文学家还没有完全测试宇宙的平坦度。

平面

迄今为止的所有观测结果都表明宇宙是平的。在几何学中，“平面度”是指平行线走向无穷大时的行为。想象一下桌面：开始时平行的线条在沿着桌子长度延伸时会保持这种状态。

相比之下，看看地球。经度线从赤道开始完全平行，但最终在两极汇合。平行线最初相交的事实表明，地球并不是平的。

同样的逻辑也适用于3D宇宙。例如，宇宙微波背景（CMB）——宇宙只有38万年历史时发出的光——现在距离我们420多亿光年，天空中的温度波动很小。天文学家已经计算出了这些波动与观测结果的预测大小。如果它们的测量尺寸与预测不同，那就意味着这些平行发出的光线在时空中改变了方向，表明宇宙的几何形状是弯曲的。

但同样的测量结果表明，忽略星系和黑洞的小规模偏转，宇宙的整体几何结构是平坦的。

不同类型的平坦

但平坦不止一种。例如，在一张纸上画平行线。然后将纸的一端包裹起来，与另一端相连，形成一个圆柱体。这些线在绕圆柱体旋转时保持平行，在数学语言中，任何圆柱体都是几何平面，但据说有不同的拓扑结构。把纸的两边合起来，你就可以做出一个圆环或甜甜圈的形状。

为了得到另一个奇怪的扁平形状的例子，把一条薄纸条包成一个圆圈，但一端要扭转180度。最终的结果是一个莫比乌斯带，它在几何上仍然是平坦的，因为平行线保持平行，即使它们相互翻转。

数学家已经发现了18种可能的几何平面的三维拓扑。在每一个维度中，至少有一个维度包裹自身，有时，它们会像莫比乌斯带一样翻转或进行部分旋转。在这样一个扭曲的宇宙中，如果我们把目光投向远方，我们会看到一个（也许是颠倒的）年轻时的自己。例如，如果宇宙直径为10亿光年，天文学家将看到10亿年前银河系的一个版本，以及在这个版本之后，20亿年前的另一个副本，以此类推。

如果宇宙是一个巨大的甜甜圈，天文学家可以从两个方向观察这样的副本。

宇宙的形状

天文学家通过多种方式测量了宇宙的拓扑结构，从寻找星系模式的副本到CMB中的匹配圆。所有的证据都表明宇宙在几何上是平坦的，并且有一个简单的展开的拓扑结构。

但2月23日发表在预印本数据库arXiv上的一篇论文表明，过去的测量是有限的。最值得注意的是，观测假设宇宙只在一个维度上包裹着自己，没有更复杂的拓扑结构。此外，对CMB的观测揭示了一些奇怪的、无法解释的异常，比如在不该出现的地方出现了大的模式。

事实上，一个具有复杂拓扑结构的宇宙，至少可以解释CMB中的一些异常。虽然对于复杂的拓扑结构来说，这不是一个不可改变的案例，但研究人员为更复杂的直接搜索提供了想法，比如CMB的后续研究。

在这种情况下，在我们扭曲的宇宙中的某个地方，可能有我们的镜像。