在浩瀚无垠的宇宙探索中，一个古老而又深刻的问题始终困扰着人类：宇宙究竟是平坦无限的，还是拥有某种复杂而神秘的形状？尽管古希腊哲学家亚里士多德曾在公元前350年提出宇宙有限论，认为宇宙有中心且天体围绕地球做圆周运动，但这一观点并未给出确凿答案，甚至其逻辑本身也饱受争议。
时至今日，科学家们依然在为解开这一谜团而努力。他们不再满足于单纯的哲学思辨，而是借助现代科技，设计出一系列严谨的策略来探寻宇宙的整体拓扑结构。二十年前，科学家首次尝试将多种可能的拓扑结构与天文数据中的信号联系起来，尽管当时并未取得突破性成果，但这并未阻挡科学家们前进的脚步。
近期，一个由来自七个国家的约15名科学家组成的Compact合作团队，提出了一种全新的方法来寻找宇宙拓扑结构的线索。他们利用十年前还无法实现的强大算力，坚信以往对拓扑结构的搜索并未穷尽所有可能性。这一团队在2024年4月于《物理评论快报》上发表的文章中，表达了他们对于探索宇宙形状的坚定信念。
蒙大拿州立大学的天体物理学家尼尔·科尔尼什，虽然不是Compact团队的一员，但他对这项研究表示了高度关注。他认为，宇宙的大小和形状是人类能提出的最基础、最重要的问题之一。鉴于已经积累了大量相关数据，他强调，尽全力进行最全面的分析颇具意义。
Compact合作团队的研究基于25年前的一项开创性工作。1998年，科尔尼什、凯斯西储大学的理论物理学家格伦·斯塔克曼以及普林斯顿大学的戴维·斯珀格尔共同发表了《天空中的圆环》一文，为探索宇宙的拓扑结构绘制了一幅详细的地图。他们提出，如果宇宙的拓扑结构允许光在穿越接近宇宙整个存在时间的尺度后，通过两条完全不同的路径抵达地球，那么我们就可以在宇宙微波背景辐射（CMB）中寻找这一证据。
宇宙微波背景辐射是来自宇宙早期的持续光子流，揭示了大爆炸后仅38万年时宇宙的模样。通过观测这些光子，科学家们可以绘制出一个球面，即最后散射面。科尔尼什、斯珀格尔和斯塔克曼假设宇宙具有类似三维环面的拓扑结构，并预测在宇宙微波背景辐射的天空对立面会找到看起来相同的圆环。然而，他们利用威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）的数据进行了详尽的搜索，却并未发现任何证据。
尽管这一结果似乎表明宇宙可能是广袤无垠的，但斯塔克曼及其同事并未放弃。他们意识到，如果圆环测试无效，那么就需要找到一种适用于可观测范围之外的宇宙的技术。于是，他们借鉴了数学家马克·卡茨在1966年提出的一个旧想法：通过分析声音来推断鼓的形状。Compact团队计划用类似的方法来研究宇宙，通过分析宇宙微波背景辐射和其他宇宙学数据中留下印记的声波，来推测宇宙的结构。
宇宙微波背景辐射中存在细微的温度变化，这些变化是由声波在早期宇宙的等离子体中传播而产生的。Compact团队计划通过分析这些声波的统计相关性，来测量波谷和波峰的尺寸分布，从而揭示宇宙的结构。他们推测，具有特定拓扑结构的宇宙可能会放大某些声波，削弱另一些声波，这可能就是宇宙微波背景辐射中某些异常现象的原因。
为了验证这一推测，Compact团队正在绘制各种拓扑结构可能产生的声音图像。他们从最简单的拓扑结构开始研究，逐步探索更复杂的结构。同时，他们还在研究如何利用宇宙中天体的分布来研究宇宙的拓扑结构。他们希望在未来几年内，通过更精确的星系分布图来推动对宇宙拓扑的研究。
科尔尼什将Compact的研究视为一种“高风险、高回报”的课题。他认为这项研究意义重大，值得我们竭尽全力去探索。尽管目前还无法评估成功或失败的概率，但斯塔克曼表示，他们将继续研究下去，因为拓扑结构可能解释宇宙微波背景辐射中的异常现象。这些异常现象包括统计相关性中明显的60度截止现象，以及太阳系轨道平面上下两侧观测到的图案之间的奇怪差异。
Compact团队的研究人员发现，过去几十年积累的数据并未削弱这些异常现象的真实性，反而进一步支持了其物理现实性。他们计划在未来5到10年内继续展开研究，以期找到宇宙的拓扑结构，或者至少得出结论——宇宙太大了，我们无法探测到它的拓扑结构，至少用现有的工具无法做到。
