椭圆形图像，中心有明亮的紫色光，顶部和底部有红色斑块。
普朗克看到的微波天空。这幅微波天空的多频全天空图像是使用普朗克的数据合成的，覆盖了30 GHz至857 GHz的电磁频谱。（图片来源：ESA、HFI、LFI联盟）
测量宇宙形状的复杂性。事实上，这个问题的答案非常违反直觉，因为当我们想到某物的形状时，我们可能会想象一个从外部看到的物体。
我们不应该以同样的方式看待宇宙。宇宙没有外周，外无物，因为没有外周。
作为类比，考虑一下我们银河系的形状。根据螺旋臂中恒星的地图，我们可以推断出它是一个螺旋，但我们无法走出星系直接看到这种螺旋结构。然而，通过望远镜，我们可以从外部看到其他螺旋星系，并得出银河系与它们相似的结论。然而，这种类比的失败之处在于，我们不能走出宇宙，因为没有外界可以进入。
根据定义，宇宙是存在的一切，因此任何东西都不能存在于它之外。也就是说，混沌暴胀、膜理论和平行现实等现代理论模糊了这一定义。
我们稍后将解决这些模糊之处。目前，当我们考虑形状时，我们指的是空间的几何形状。例如，在平面上，三角形的角度加起来总是180度，但在曲面上，它们加起来可以大于或小于180度。在平面上，平行线只要延伸，就会保持平行，但在曲面上，它们可以会聚、发散或交叉。如果你开始朝一个方向前进，你是继续远离起点，还是回到自己身上？当我们提到宇宙的几何形状时，这些都是我们正在谈论的问题。
我们通过测量空间中物质的平均密度并将其与决定空间曲率的临界密度进行比较来测量宇宙的几何形状。
是什么塑造了宇宙？
根据广义相对论，物质的引力效应会影响空间的曲率，但大爆炸期间的量子效应也会影响宇宙的形状。
宇宙是球体还是平面？
宇宙是平坦的还是像球体（封闭的）一样弯曲的，取决于物质密度与临界密度的接近程度。测量表明，密度几乎与临界密度相匹配，临界密度表明宇宙是平坦的。
宇宙的真实形状是什么？
平坦的宇宙具有欧几里德几何，它可以采用的最简单的形状是片状。平坦宇宙还可能有其他更复杂的形状，比如“三层”
如何测量宇宙的形状
宇宙的几何形状是由宇宙中物质的密度决定的。阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论描述了物质如何弯曲空间，因此物质的密度可以在最大尺度上控制空间的曲率和几何形状。
关键值是“临界密度”，用希腊字母ω（）表示。如果宇宙平均每立方米含有六个氢原子，则具有临界密度。但物质并没有均匀地分布在整个宇宙中。我们之所以知道这一点，是因为我们看到它集中在星系内，而不存在于星系之间的间隙中。然而，当我们谈论宇宙中物质的密度时，我们想象的是将宇宙中的每个原子（其中四分之三是氢）均匀地分布在空间中。
还有暗物质，我们只能从它的引力效应中推断出来，但我们知道它必须占宇宙中所有物质的85%左右。掌握宇宙中暗物质的数量对于弄清楚它的几何形状和命运至关重要。
让我们探索宇宙几何的三种可能性：开放、封闭或平坦。如果宇宙中物质的密度大于临界密度，那么我们说我们的宇宙是封闭的，并且具有正曲率。在一个封闭的宇宙中，你可以开始一段穿越太空的旅程，沿着一条直线旅行，最终你会绕着圈子回到起点。正曲率是凸的而不是凹的，这意味着宇宙的形状像球体的表面。在球体中，两条平行线不会永远保持平行；首先，它们会分道扬镳，然后它们会会聚回原点并相互交叉。
如果宇宙中物质的密度小于临界密度，那么宇宙的几何形状就被描述为开放的、负弯曲的，就像马鞍的凹形，而且很可能是无限的。
但是，如果宇宙是非常平衡的，使得物质的密度等于临界密度，那么宇宙的几何形状就被描述为平坦的。平面几何是一种欧几里德几何，以古希腊数学家欧几里德的名字命名，其中平行线保持平行，三角形的角度加起来为180度。
那么，它是什么？美国国家航空航天局的威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）和欧洲航天局的普朗克任务测量了宇宙的物质能量密度，都发现ω等于临界密度。换句话说，宇宙似乎有一个平坦的几何形状。
我们的宇宙有哪些可能的形状？
题为“宇宙几何”的视觉表示显示了宇宙的三种可能形状。在顶部，三幅色彩斑斓的宇宙微波背景图展示了不同的场景。下面，三个线框图显示了形状：“开放”（马鞍形曲线）、“平坦”（没有曲率的网格）和“封闭”（圆顶状球体）。
通过研究宇宙微波背景上的物质密度（我们可以在方块中看到的快照），天文学家可以确定宇宙是开放的（没有足够的物质）、平坦的（物质刚刚足够）还是封闭的（物质太多）。（图片来源：NASA/WMAP科学团队）
WMAP和普朗克非常精确地测量了欧米茄，宇宙学家非常有信心宇宙是平的。正如我们所见，这一预测是由临界密度和广义相对论决定的。
然而，一个名为异常和宇宙拓扑观测、模型和预测合作组织（COMPACT）的国际团队发现，平坦的宇宙并不一定排除复杂的形状。在他们的研究论文中，他们专注于一种被称为3-torus的形状。
一维圆被称为1-环面。二维的2-torus是一个甜甜圈形状。现在想象一个三维的三层。想象一个立方体从内到外翻转，两侧弯曲翘曲，直到它们彼此面对并接触。这是一个3-tors。有三种类型：这个基本示例，然后一个扭曲90度，另一个扭曲180度。COMPACT团队表示，3层形状的家族可以保持平坦的欧几里德几何的印象。
从理论上讲，3个或其他一些奇特的形状可能是大爆炸期间发生的量子效应的结果，并塑造了宇宙随后的展开方式。那么，我们怎么知道我们是否生活在一个三层宇宙中呢？空间弯曲的方式意味着，当光沿着这个复杂环路的不同路径传播时，我们会在天空的不同部分看到宇宙同一部分的重复图像。这就像生活在一个充满镜子的宇宙大厅里。我们需要做的就是识别这些重复的图像。
COMPACT团队研究了宇宙微波背景辐射（CMB）——大爆炸留下的辐射——寻找任何模式。他们没有找到任何，但有两个警告。其中一个原因是，3个轨道的规模可能非常大，以至于围绕其中一个轨道传播的光还没有时间到达我们这里。另一个是，尽管如果长度尺度足够小，则排除了标准的3度版本，但尚未排除90度和180度扭曲版本。这是因为它们扭曲了重复的图像，使识别它们变得更加复杂，而在CMB中对这种扭曲的重复模式的全面搜索尚未进行。
COMPACT团队表示，即使排除了所有三层形状，也有18种数学上可能的形状与平坦宇宙一致，其中之一可能是我们宇宙的真实形状。
编丨潇歌
图丨网络
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