预测未来的发现科学家探索不平凡的宇宙拓扑

在《物理评论快报》(PRL)的一项新研究中，科学家们探索了宇宙中非平凡或奇异拓扑的可能性，以解释宇宙微波背景(CMB)中看到的一些异常现象。

我们的宇宙模型基于量子力学和广义相对论，处理受物质和能量影响的宇宙几何形状，在大多数情况下，宇宙被认为是平坦的。

然而，它没有提及宇宙本身的拓扑结构：它是无限的，是否有环，等等。PRL研究的重点是宇宙的这一方面，以及当前的模型和数据是否允许这些奇异或不平凡的拓扑结构的存在。

该研究是由国际科学家团队组成的COMPACT合作的一部分。该研究的共同作者之一、美国俄亥俄州凯斯西储大学的GlennD.Starkman教授向Phys.org介绍了该团队的工作。

在讨论他从事这项工作的动机时，他说：“宇宙具有‘有趣’拓扑的可能性完全在我们的物理标准模型之内，但通常被认为是奇异的。”

“我长期以来一直担心，如果只看向另一个方向，我们会错过关于宇宙的非凡发现。与此同时，越来越多的证据表明宇宙并​​不是“统计各向同性”，即物理在所有方向上都是相同的拓扑是各向异性渗透到我们宇宙的一种非常自然的方式。”

宇宙微波背景

CMB是属于微波频谱的一种辐射。它在20世纪40年代被预测为大爆炸的遗迹，但在1965年被偶然发现。

大爆炸(也就是现在的宇宙是如何形成的)之后，除了在极高温度和压力下由基本粒子和气体组成的汤之外什么都没有，通常被称为原始汤。

随着宇宙的膨胀，它也随之冷却。这导致基本粒子结合形成原子。到目前为止，光子与这些基本粒子相互作用并发生散射，不允许它们自由传播。但一旦原子开始形成，光子就更加自由地传播，大约在大爆炸后38万年。

这标志着宇宙微波背景的传播，被认为是大爆炸的“余辉”。它拥有有关早期宇宙以及导致恒星和星系等大规模结构形成的后续过程的重要信息。

CMB无处不在，而且大部分温度是均匀的。然而，CMB数据中存在一些尚未得到解释的小波动和异常。

PRL研究的研究人员提出，CMB测量中的这些波动和异常可以通过考虑宇宙的非平凡拓扑来解释，这意味着我们不必将其视为“平坦”。

宇宙拓扑

拓扑学是数学的一个分支，研究对象的形状和结构。拓扑学的规则与几何学的规则有很大不同。虽然几何和拓扑是不同的概念，但几何会影响拓扑。

几何定义了空间如何弯曲(时空在小尺度上被认为是平坦的)，而拓扑定义了空间的整体连通性。

如果我们有平坦的空间，我们就不可能有空间向内弯曲或有环的拓扑。这意味着要在两点之间旅行，我们必须走直线路径，不能走任何弯路或环路。

斯塔克曼教授解释说：“宇宙可能就像一款旧时的电子游戏，离开屏幕的右侧会看到你从左侧弹出，这样你就可以通过直线路径回到开始的地方。这就是所谓的多重连接。”

从本质上讲，直线路径表明，尽管表面上存在连续运动，但空间的底层拓扑允许意想不到的连接，其中看似线性轨迹实际上可能会自行循环。

匹配的温度圈

如果宇宙是“多重连接”的(即具有不平凡的拓扑)，我们将观察到匹配的温度圈。这是因为从光源(如恒星)发出的光可以沿着两条不同的路径传播，并从两个方向到达观察者(地球)。

这会在CMB图(或热图)上留下类似的温度波动，从而产生匹配的温度圈。然而，没有证据表明存在这些匹配的温度圈。

斯塔克曼教授说：“缺乏匹配的温度环可以告诉我们穿过我们的最短闭环的长度，但它并不能告诉我们穿过其他地方的环的长度。”

CMB数据中缺乏匹配的温度环表明，如果存在不平凡的拓扑，那么穿过我们所在位置(地球)的环路一定相对较小。

这限制了这些循环的长度。斯塔克曼教授解释说：“如果CMB异常是由于宇宙拓扑造成的，那么穿过我们的最短环的长度不应比最后一个散射表面(半径为1的球体)的直径长约20-30%。等于光在宇宙历史中传播的距离。”

未来的限制和搜索

鉴于上述限制和对非平凡拓扑的探索，研究人员提出了未来检测此类拓扑的其他方法。

他们特别提到了宇宙微波背景数据中温度波动统计模式以及宇宙大尺度结构的变化。如果存在非平凡的拓扑，这些波动或交替就会显现出来。

但是，这些检测需要巨大的计算能力，研究人员建议使用机器学习算法来加速计算并挖掘CMB数据来检测非平凡的拓扑。

“在大约十年的中断之后，对拓扑的探索将重新开始。希望我们能够探测到宇宙拓扑，从而了解宇宙各向异性的起源，并一睹宇宙最初出现的过程，”斯塔克曼教授总结道。

该研究还强调，即使没有明确匹配的圆，宇宙微波背景中统计各向异性(或异常)的存在也表明可能存在有关宇宙结构和拓扑的可检测信息。

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