宇宙微波背景輻射圖。來源：uux.cn歐空局和普朗克合作組織。發(fā)現(xiàn)凡noirlab.edu/public/images/CMB。科學(xué)
（神秘的家探結(jié)構(gòu)地球uux.cn）據(jù)美國物理學(xué)家組織網(wǎng)（Tejasri Gururaj）：在一項(xiàng)新的《物理評(píng)論快報(bào)》（PRL）研究中，科學(xué)家們探索了宇宙中非平凡或奇異拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的索非可能性，以解釋宇宙微波背景（CMB）中出現(xiàn)的宇宙一些異常現(xiàn)象。
我們的拓?fù)溆钪鎸W(xué)模型基于量子力學(xué)和廣義相對論，處理受物質(zhì)和能量影響的期待宇宙幾何結(jié)構(gòu)，在大多數(shù)情況下，發(fā)現(xiàn)凡這些幾何結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是科學(xué)平坦的。
然而，家探結(jié)構(gòu)它對宇宙本身的索非拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)只字未提：它是無限的嗎？它有環(huán)嗎？等等。PRL研究的宇宙重點(diǎn)是宇宙的這一方面，以及當(dāng)前的拓?fù)淠Ｐ秃蛿?shù)據(jù)是否允許存在這些奇異或非平凡的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
這項(xiàng)研究是期待COMPACT合作的一部分，該合作由一個(gè)國際科學(xué)家團(tuán)隊(duì)組成。該研究的合著者之一、美國俄亥俄州凱斯西儲(chǔ)大學(xué)的Glenn D.Starkman教授向Phys.org介紹了該團(tuán)隊(duì)的工作。
在討論他從事這項(xiàng)工作的動(dòng)機(jī)時(shí)，他說：“宇宙具有‘有趣’拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可能性完全在我們的標(biāo)準(zhǔn)物理模型范圍內(nèi)，但通常被認(rèn)為是奇異的。”
“長期以來，我一直擔(dān)心，如果我們只是從另一個(gè)方向看，就會(huì)錯(cuò)過關(guān)于我們宇宙的一個(gè)非凡發(fā)現(xiàn)。與此同時(shí)，越來越多的證據(jù)表明，宇宙不是‘統(tǒng)計(jì)各向同性’的，即物理在所有方向上都是一樣的。拓?fù)涫歉飨虍愋月拥轿覀冇钪嬷械囊环N非常自然的方式。”
宇宙微波背景
CMB是屬于微波光譜的一種輻射。它在20世紀(jì)40年代被預(yù)測為大爆炸的殘余，1965年被意外探測到。
在大爆炸之后，也就是現(xiàn)在的宇宙是如何存在的，除了在極高的溫度和壓力下的基本粒子和氣體湯，什么都沒有，通常被稱為原始湯。
隨著宇宙的膨脹，它也冷卻了下來。這導(dǎo)致基本粒子結(jié)合形成原子。在此之前，光子一直與這些基本粒子相互作用并散射，不允許它們自由傳播。但一旦原子開始形成，光子就可以更自由地傳播，大約在宇宙大爆炸38萬年后。
這標(biāo)志著CMB的傳播，它被認(rèn)為是大爆炸的“余輝”。它包含了關(guān)于早期宇宙以及導(dǎo)致恒星和星系等大規(guī)模結(jié)構(gòu)形成的后續(xù)過程的重要信息。
CMB無處不在，在大多數(shù)情況下，溫度是均勻的。然而，CMB數(shù)據(jù)中有一些小的波動(dòng)和異常現(xiàn)象尚未得到解釋。
PRL研究中的研究人員提出，CMB測量中的這些波動(dòng)和異常可以通過考慮宇宙的非平凡拓?fù)鋪斫忉專@意味著我們不必將其視為“平坦的”
宇宙拓?fù)?br>拓?fù)涫菙?shù)學(xué)的一個(gè)分支，研究物體的形狀和結(jié)構(gòu)。拓?fù)涞囊?guī)則與幾何的規(guī)則大不相同。雖然幾何圖形和拓?fù)涫遣煌母拍睿珟缀螆D形會(huì)影響拓?fù)洹?br>幾何定義了空間是如何彎曲的（時(shí)空在小尺度上被認(rèn)為是平坦的），拓?fù)涠x了空間的整體連通性。
如果我們要有平坦的空間，我們就不能有空間向內(nèi)彎曲或有循環(huán)的拓?fù)洹＿@意味著在兩個(gè)點(diǎn)之間旅行，我們必須走一條沒有任何彎路或環(huán)路的直線。
Starkman教授解釋道，“宇宙可能就像一個(gè)古老的電子游戲，離開屏幕的右側(cè)會(huì)看到你從左側(cè)彈出，所以你可以通過直線路徑回到起點(diǎn)。這被稱為乘法連接。”
從本質(zhì)上講，直線路徑表明，盡管出現(xiàn)了連續(xù)運(yùn)動(dòng)，但空間的底層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)允許意外的連接，在這種連接中，看似線性的軌跡實(shí)際上可能會(huì)自行循環(huán)。
匹配的溫度圈
如果宇宙是“多重連接的”（即具有非平凡的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)），我們將觀察到匹配的溫度圈。這是因?yàn)閬碜怨庠矗ㄈ绾阈牵┑墓饪梢匝刂鴥蓷l不同的路徑傳播，并從兩個(gè)方向到達(dá)觀測者（地球）。
這在CMB圖（或熱圖）上留下了類似的溫度波動(dòng)，從而產(chǎn)生了匹配的溫度圈。然而，沒有證據(jù)表明存在這些匹配的溫度圈。
Starkman教授說：“缺乏匹配的溫度圈是告訴我們通過我們的最短閉環(huán)的長度，但它并不能告訴我們通過其他地方的環(huán)路的長度。”。
CMB數(shù)據(jù)中沒有匹配的溫度圈，這表明如果存在非平凡的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，那么穿過我們所在位置（地球）的環(huán)路一定相對較小。
這會(huì)限制這些循環(huán)的長度。Starkman教授解釋道，“如果CMB異常是由宇宙拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)引起的，那么穿過我們的最短環(huán)路的長度不應(yīng)該比最后一個(gè)散射表面的直徑長約20-30%，這個(gè)散射表面的半徑等于宇宙歷史上光傳播的距離。”
未來的限制和搜索
鑒于上述限制和對非平凡拓?fù)涞乃阉鳎芯咳藛T提出了未來檢測此類拓?fù)涞钠渌椒ā?br>特別是，他們提到了CMB數(shù)據(jù)中溫度波動(dòng)的統(tǒng)計(jì)模式以及宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的變化。如果存在非平凡的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這些波動(dòng)或交替就會(huì)暴露出來。
但是，這些檢測需要巨大的計(jì)算能力，研究人員建議使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法來加快計(jì)算速度，并挖掘CMB數(shù)據(jù)來檢測非平凡的拓?fù)洹?br>斯塔克曼教授總結(jié)道：“在中斷了大約十年后，對拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的探索將重新開始。希望我們能探測到宇宙拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而了解宇宙各向異性的起源，并了解宇宙最初出現(xiàn)的過程。”。
該研究還強(qiáng)調(diào)，即使沒有明確匹配的圓，CMB中統(tǒng)計(jì)各向異性（或異常）的存在也表明可能存在關(guān)于宇宙結(jié)構(gòu)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可檢測信息。
作者:娛樂
.gif)
.gif)
.gif)
.gif)
.gif)
.gif)
.gif)
.gif)
.gif)
.gif)
