在浩瀚無垠的宇宙探索中，一個古老而又深刻的問題始終困擾著人類：宇宙究竟是平坦無限的，還是擁有某種復雜而神秘的形狀？盡管古希臘哲學家亞里士多德曾在公元前350年提出宇宙有限論，認為宇宙有中心且天體圍繞地球做圓周運動，但這一觀點并未給出確鑿答案，甚至其邏輯本身也飽受爭議。
時至今日，科學家們依然在為解開這一謎團而努力。他們不再滿足于單純的哲學思辨，而是借助現代科技，設計出一系列嚴謹的策略來探尋宇宙的整體拓撲結構。二十年前，科學家首次嘗試將多種可能的拓撲結構與天文數據中的信號聯系起來，盡管當時并未取得突破性成果，但這并未阻擋科學家們前進的腳步。
近期，一個由來自七個國家的約15名科學家組成的Compact合作團隊，提出了一種全新的方法來尋找宇宙拓撲結構的線索。他們利用十年前還無法實現的強大算力，堅信以往對拓撲結構的搜索并未窮盡所有可能性。這一團隊在2024年4月于《物理評論快報》上發表的文章中，表達了他們對于探索宇宙形狀的堅定信念。
蒙大拿州立大學的天體物理學家尼爾·科爾尼什，雖然不是Compact團隊的一員，但他對這項研究表示了高度關注。他認為，宇宙的大小和形狀是人類能提出的最基礎、最重要的問題之一。鑒于已經積累了大量相關數據，他強調，盡全力進行最全面的分析頗具意義。
Compact合作團隊的研究基于25年前的一項開創性工作。1998年，科爾尼什、凱斯西儲大學的理論物理學家格倫·斯塔克曼以及普林斯頓大學的戴維·斯珀格爾共同發表了《天空中的圓環》一文，為探索宇宙的拓撲結構繪制了一幅詳細的地圖。他們提出，如果宇宙的拓撲結構允許光在穿越接近宇宙整個存在時間的尺度后，通過兩條完全不同的路徑抵達地球，那么我們就可以在宇宙微波背景輻射（CMB）中尋找這一證據。
宇宙微波背景輻射是來自宇宙早期的持續光子流，揭示了大爆炸后僅38萬年時宇宙的模樣。通過觀測這些光子，科學家們可以繪制出一個球面，即最后散射面。科爾尼什、斯珀格爾和斯塔克曼假設宇宙具有類似三維環面的拓撲結構，并預測在宇宙微波背景輻射的天空對立面會找到看起來相同的圓環。然而，他們利用威爾金森微波各向異性探測器（WMAP）的數據進行了詳盡的搜索，卻并未發現任何證據。
盡管這一結果似乎表明宇宙可能是廣袤無垠的，但斯塔克曼及其同事并未放棄。他們意識到，如果圓環測試無效，那么就需要找到一種適用于可觀測范圍之外的宇宙的技術。于是，他們借鑒了數學家馬克·卡茨在1966年提出的一個舊想法：通過分析聲音來推斷鼓的形狀。Compact團隊計劃用類似的方法來研究宇宙，通過分析宇宙微波背景輻射和其他宇宙學數據中留下印記的聲波，來推測宇宙的結構。
宇宙微波背景輻射中存在細微的溫度變化，這些變化是由聲波在早期宇宙的等離子體中傳播而產生的。Compact團隊計劃通過分析這些聲波的統計相關性，來測量波谷和波峰的尺寸分布，從而揭示宇宙的結構。他們推測，具有特定拓撲結構的宇宙可能會放大某些聲波，削弱另一些聲波，這可能就是宇宙微波背景輻射中某些異常現象的原因。
為了驗證這一推測，Compact團隊正在繪制各種拓撲結構可能產生的聲音圖像。他們從最簡單的拓撲結構開始研究，逐步探索更復雜的結構。同時，他們還在研究如何利用宇宙中天體的分布來研究宇宙的拓撲結構。他們希望在未來幾年內，通過更精確的星系分布圖來推動對宇宙拓撲的研究。
科爾尼什將Compact的研究視為一種“高風險、高回報”的課題。他認為這項研究意義重大，值得我們竭盡全力去探索。盡管目前還無法評估成功或失敗的概率，但斯塔克曼表示，他們將繼續研究下去，因為拓撲結構可能解釋宇宙微波背景輻射中的異常現象。這些異常現象包括統計相關性中明顯的60度截止現象，以及太陽系軌道平面上下兩側觀測到的圖案之間的奇怪差異。
Compact團隊的研究人員發現，過去幾十年積累的數據并未削弱這些異常現象的真實性，反而進一步支持了其物理現實性。他們計劃在未來5到10年內繼續展開研究，以期找到宇宙的拓撲結構，或者至少得出結論——宇宙太大了，我們無法探測到它的拓撲結構，至少用現有的工具無法做到。
