宇宙可能具有复杂的几何形状——就像一个甜甜圈

宇宙可能与甜甜圈有一些共同之处。

除了油炸的甜味之外，甜甜圈还因其形状（或者用数学术语来说，其拓扑结构）而闻名。在具有类似复杂拓扑结构的宇宙中，您可以穿越宇宙并最终回到出发点。这样的宇宙尚未排除物理学家在 4 月 26 日的物理评论快报。

在拓扑结构单调或平凡的形状上，你画的任何封闭路径都可以缩小到一个点。例如，考虑绕地球旅行。如果你绕着赤道走一圈，那就是一个封闭的环，但你可以通过把你的旅程转移到北极来压缩它。但甜甜圈的表面具有复杂或非平凡的拓扑结构（日期：10/4/16）。例如，围绕甜甜圈孔的环无法缩小，因为孔限制了你可以将其挤压的程度。

人们普遍认为宇宙具有简单的拓扑结构。但研究人员认为，这一点尚不确定。

密歇根大学安娜堡分校的宇宙学家 Dragan Huterer 表示：“我发现这很有趣……宇宙可能具有非平凡的或不同类型的拓扑结构，尤其是我们认为我们可能能够测量它，”他没有参与这项研究。

具有非平凡拓扑的宇宙可能有点像吃豆人。在经典的街机游戏中，角色一直移动到屏幕的右边缘会回到左侧。穿越屏幕并让角色返回其起点的吃豆人之旅同样无法缩小。

科学家们已经在宇宙微波背景中寻找复杂拓扑的迹象，这种光是宇宙诞生仅 38 万年时发出的。由于宇宙中空间以非平凡拓扑的方式自我循环，科学家们可能能够在多个地方观察到相同的特征。研究人员已经在天空的两个不同位置寻找在这种光中出现的相同圆圈。他们还寻找不同地点之间的微妙相关性或相似性，而不是完全相同的匹配。

这些搜索没有找到任何复杂拓扑结构的证据。但是，理论物理学家 Glenn Starkman 及其同事认为，宇宙仍然有可能与甜甜圈有一些共同之处。这是因为早期的研究只考虑了宇宙可能存在的拓扑结构的一小部分。

该子集包括一种非平凡拓扑，称为 3 环面，即一个像 3D 版吃豆人屏幕一样绕回自身的立方体。在这种拓扑中，离开立方体的任何一侧都会将您带回到另一侧。对这种简单的 3 环面的搜索一无所获。但科学家尚未搜索过 3 环面的某些变体。例如，立方体的侧面可能相对于彼此扭曲。在这样的宇宙中，离开立方体的顶部会将您带回到底部，但会旋转例如 180 度。

这项新研究考虑了宇宙中总共 17 种可能的非平凡拓扑结构。作者确定，其中大多数拓扑结构尚未被排除。该研究评估了不同类型拓扑结构在宇宙微波背景中出现的特征。研究人员发现，未来对这种古老光的分析可能会揭示这些复杂拓扑结构的线索。

这项搜索可能在计算上具有挑战性，可能需要机器学习技术来加快计算速度。研究人员还计划在即将到来的宇宙星系分布调查数据中寻找非平凡拓扑的迹象，例如欧洲航天局的欧几里得太空望远镜（日期: 12/20/23）。

克利夫兰凯斯西储大学的斯塔克曼说，寻找非平凡拓扑的动机很好。宇宙微波背景的一些特征暗示宇宙各个方向都不一样（日期: 12/23/08）。这种不对称性可以用非平凡拓扑来解释。斯塔克曼说，这种不对称性是“尚未消失的宇宙最大新谜团之一”。