宇宙是有限的還是無限的？它是一直向前發(fā)展，還是循環(huán)往復(fù)？如果你堅(jiān)定不移地朝一個(gè)方向旅行下去，會(huì)發(fā)生什么？
▲ 這張圖描繪了一個(gè)假想的環(huán)形宇宙，或宇宙的“甜甜圈理論”。事實(shí)上，這樣的宇宙并不能以這種方式呈現(xiàn)出來，因?yàn)樘鹛鹑τ卸S的表面，而且環(huán)形宇宙不僅在空間中是彎曲的，在時(shí)空中也是彎曲的。不過，把宇宙想象成某種“宇宙甜甜圈”會(huì)更簡(jiǎn)單，也更有趣。
宇宙是一個(gè)巨大、奇妙而又古怪的所在。從人類的視角，各個(gè)方向上的宇宙范圍大約為 460 億光年。無論望向哪里，我們看到的都是一個(gè)充滿恒星和星系的宇宙，但這些天體都是獨(dú)一無二的嗎？有沒有可能，你在一個(gè)方向上看到的一個(gè)星系，當(dāng)你從不同的視角，或者從相反的方向看，也會(huì)看到同樣的星系？宇宙真的會(huì)循環(huán)往復(fù)嗎？如果你沿著直線旅行得足夠遠(yuǎn)，最終會(huì)回到起點(diǎn)嗎，就像你在地球表面朝任何一個(gè)方向走了足夠長的時(shí)間一樣？或者，會(huì)不會(huì)有什么東西阻止你回到原點(diǎn)？
▲ 圖中所示的星系都位于本星系群之外，因此它們都不受銀河系的引力約束。結(jié)果，隨著宇宙的膨脹，它們發(fā)出的光會(huì)向波長更長、更紅的方向移動(dòng)。這些物體不斷遠(yuǎn)離我們，隨著膨脹的持續(xù)，它們會(huì)越來越遠(yuǎn)。
這是一個(gè)值得思考的有趣問題。對(duì)大多數(shù)人來說，空間和時(shí)間的一些特性是難以想象的。在宇宙中，如果一直沿直線旅行的話，似乎可以永遠(yuǎn)走下去。有什么東西會(huì)阻止你？一堵墻？如果是的話，那墻的另一邊是什么？
或許聽起來很荒謬，但答案是：兩種情況皆有可能。你既可以永遠(yuǎn)旅行下去，但也會(huì)有東西阻止你。關(guān)鍵在于如何理解不斷膨脹的宇宙，這本身就是最令人難以想象的概念之一。
當(dāng)我們仰望宇宙的時(shí)候，看到的物體并不是它們?nèi)缃翊嬖诘臉幼?。從我們的角度來看，宇宙大爆炸已?jīng)發(fā)生了 138 億年，而我們所看到的一切都比宇宙本身年輕。
▲ 我們的宇宙可能有點(diǎn)像一個(gè)關(guān)于小行星的宇宙三維游戲，你可以從宇宙的這邊離開，然后在另一邊重新出現(xiàn)。如果宇宙膨脹得足夠慢，或者我們的速度足夠快，時(shí)間足夠長，那我們最終會(huì)回到起點(diǎn)，沒有什么能阻止我們到達(dá)設(shè)定的目的地。
為什么會(huì)這樣？
大爆炸同時(shí)發(fā)生在所有地方，如果我們位于宇宙的其他地方，也會(huì)經(jīng)歷同樣的 138 億年時(shí)間。但如果我們從那個(gè)位置觀察地球，就必須考慮到我們所看到的地球并不是它今天真正的模樣。相反，我們看到的是地球當(dāng)時(shí)的樣子；當(dāng)時(shí)到達(dá)的光從地球發(fā)射出來，再被我們接收到。我們看到的是地球的過去。
如果我們?cè)谠虑蛏?，這些反射光大約就是 1.3 秒前發(fā)出的。如果我們?cè)谝活w圍繞半人馬座 α 星運(yùn)行的行星上，那這些光的存在就已經(jīng)有 4.3 年了。如果我們?cè)谙膳窍?，則這些光應(yīng)該已經(jīng)行進(jìn)了 250 萬年。
當(dāng)我們從自己的角度觀察一個(gè)遙遠(yuǎn)的物體時(shí)，同樣的原理也在起作用：我們看到的是這些物體在光線到達(dá)時(shí)的樣子。只不過，如果我們將目光越過本星系群的衛(wèi)星、行星、恒星和星系，向更遠(yuǎn)的宇宙望去，就會(huì)有另一個(gè)因素在起作用：光所穿過的空間正在擴(kuò)大。
20 世紀(jì)，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)宇宙正在膨脹，這是人類對(duì)宇宙認(rèn)識(shí)的最大變革之一。一個(gè)距離我們?cè)竭h(yuǎn)的遙遠(yuǎn)星系 —— 假設(shè)它不受銀河系引力的約束 —— 它發(fā)出的光的紅移量就越大，或者說，它的光會(huì)被拉伸至更長的波長。
▲ 即使是在一個(gè)不斷膨脹的宇宙中，只要有足夠的時(shí)間，遙遠(yuǎn)天體發(fā)出的光終究會(huì)被我們看到。不僅光子的波長會(huì)因?yàn)橛钪娴呐蛎浂焕L，物質(zhì)粒子的德布羅意波長也會(huì)被拉長。光在宇宙中穿行的時(shí)間越長，它的波長因宇宙膨脹而被拉長的程度就越大。
在宇宙中，有三種情況通常會(huì)導(dǎo)致紅移：
（1）當(dāng)光源與觀察者相對(duì)遠(yuǎn)離彼此時(shí)；
（2）當(dāng)射出的光需要爬出一個(gè)巨大的重力勢(shì)阱時(shí)；
（3）當(dāng)兩個(gè)物體之間的空間在光的旅程中膨脹時(shí)。
盡管前兩種效應(yīng)在短距離內(nèi)可能很顯著，但在最大的宇宙尺度上，只有空間的膨脹才具有重要的意義。
▲ 三角形的內(nèi)角和取決于空間曲率的大小。在正曲率（上）、負(fù)曲率（中）或平坦（下）的宇宙中，三角形內(nèi)角之和分別為＞180°、＜180° 或等于 180°。盡管很容易描繪一個(gè)正曲率的曲面（上）是如何有限并循環(huán)的，但非正曲率的曲面也可以是有限的。
宇宙正在膨脹的事實(shí)很重要，原因有很多，尤其是從宇宙的視角來看。這一事實(shí)讓我們可以推斷出宇宙歷史，以及我們?nèi)绾螐囊粋€(gè)更熱、更密集、更均勻、更迅速膨脹的狀態(tài)中誕生的過程。如果我們能測(cè)量膨脹速率隨時(shí)間的變化，或許就能推斷出構(gòu)成宇宙的各種能量類型及其比例。
而且，如果我們能知道宇宙是如何膨脹的，以及宇宙所包含的一切，我們就能預(yù)測(cè)它在遙遠(yuǎn)未來會(huì)如何膨脹，以及宇宙最終的命運(yùn)會(huì)是什么。
▲ 圓環(huán)幾何結(jié)構(gòu)是空間平面的一個(gè)例子，它既沒有正曲率也沒有負(fù)曲率，但在范圍上是有限的。如果你所處的空間本質(zhì)上是環(huán)面，那么一直沿直線走的話，你最終就可以回到起點(diǎn)。
那么，這些與之前提到的問題有什么關(guān)系？如果你永遠(yuǎn)沿著直線穿越宇宙，會(huì)發(fā)生什么？
首先，我們先來考慮另一種可能性：如果你永遠(yuǎn)沿著直線旅行，穿過一個(gè)不會(huì)膨脹，靜態(tài)不變的宇宙，情況會(huì)有什么不同？
在靜態(tài)不變的宇宙中，一切都取決于我們已知的、可以用數(shù)學(xué)描述的宇宙拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。愛因斯坦的廣義相對(duì)論帶來的重大變革之一，就是讓人們認(rèn)識(shí)到，空間本身并不能簡(jiǎn)單地用直線構(gòu)成的的三維網(wǎng)格來描述，因?yàn)檫@種描述是剛性、絕對(duì)的。相反，空間本身必然會(huì)因物質(zhì)和能量的存在（或不存在）而彎曲。當(dāng)存在一個(gè)巨大且過度密集的物質(zhì)和 / 或能量集合時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致更大的（正的）空間曲率；而當(dāng)物質(zhì)和能量低于平均水平甚至是負(fù)的時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致負(fù)曲率。
▲ 最全面的宇宙微波背景圖。宇宙微波背景輻射是宇宙中可觀測(cè)到的最古老的光。這張圖向我們展示了大爆炸發(fā)生 38 萬年后宇宙快照，其中沒有重復(fù)的結(jié)構(gòu)，也沒有可以相互識(shí)別的區(qū)域。這一事實(shí)限制了任何重復(fù)結(jié)構(gòu)的大小，也限制了宇宙的有限屬性，使之大于現(xiàn)代宇宙視界的大小。
在廣義相對(duì)論中，我們所居住的時(shí)空也可以有一個(gè)全局結(jié)構(gòu)。你的時(shí)空可以是正曲率的，就像一個(gè)（高維）球體；它也可以是負(fù)曲率的，就像一個(gè)（高維）馬鞍；它還可以是平坦的，在最大的整體尺度上既沒有正曲率也沒有負(fù)曲率。
盡管我們很容易看出正曲率空間是如何有限和封閉的，但要意識(shí)到平坦空間也可以有限和封閉，就不那么直觀了，但這種情況確實(shí)是可能的。要理解這一點(diǎn)，只需簡(jiǎn)單地想象一個(gè)長而直的圓柱體，然后把這個(gè)圓柱體彎曲成一個(gè)甜甜圈狀，直到兩端連接起來。這種形狀被稱為圓環(huán)體，它在空間上是平坦的，同時(shí)也是有限的和封閉的。
如果宇宙沒有膨脹，你只能想象以下兩種可能性。
（1）宇宙可能是有限的和封閉的，無論它的曲率如何。如果你在一個(gè)方向上走得足夠遠(yuǎn)，或者說在一個(gè)方向上走得足夠久，你最終會(huì)回到起點(diǎn)。即使空間本身在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上很奇怪，就像一條莫比烏斯帶或一個(gè)克萊因瓶，你也可以繼續(xù)前進(jìn)，并最終回到旅程開始的地方。
（2）宇宙可能是無限、開放的，與它的曲率無關(guān)。無論你朝哪個(gè)方向走了多遠(yuǎn)，花了多長時(shí)間，你總會(huì)發(fā)現(xiàn)自己遇到了以前從未遇到過的“新空間”。沒有什么能阻止你，也沒有什么能使你回到出發(fā)的地方，除非你掉轉(zhuǎn)頭往回走。
▲ 宇宙的預(yù)期命運(yùn)（前三張插圖）都對(duì)應(yīng)著一個(gè)物質(zhì)和能量共同對(duì)抗初始膨脹速率的宇宙。在我們觀測(cè)到的宇宙中，宇宙加速是由某種類型的暗能量引起的，這種暗能量至今仍未得到解釋。如果宇宙膨脹速率繼續(xù)下降，就像前三種情況一樣，那你最終可以趕上任何東西。但如果你所處的宇宙包含暗能量，情況就不再是這樣了。
當(dāng)我們以各種已知的方式觀測(cè)宇宙 —— 包括其中的各種星系、各種氣體和等離子體、恒星輻射、星際物質(zhì)分子，甚至是宇宙大爆炸本身 —— 我們都在尋找重復(fù)的模式，希望能找到證據(jù)，證明宇宙在我們可以觀察到的尺度上可能是有限的。
事實(shí)上，我們唯一一次看到多幅同一天文源圖像的時(shí)候，就是在空間某處有一個(gè)巨大的引力質(zhì)量時(shí)，來自背景源的光被扭曲成多個(gè)不同的路徑，而這些路徑都可以成功地到達(dá)我們的眼睛。盡管這種現(xiàn)象 —— 被稱為“強(qiáng)引力透鏡”—— 在光學(xué)和科學(xué)上都有非同尋常的意義，但它只局限于天空中非常狹窄、局部的角度和區(qū)域。
然而，我們還沒有這樣的好運(yùn)氣。事實(shí)上，我們已經(jīng)能夠滿懷自信的說，整個(gè)宇宙中并不存在重復(fù)的結(jié)構(gòu)，沒有哪個(gè)物體會(huì)與我們?cè)诹硪粋€(gè)方向觀察到的物體相同；甚至在宇宙“最初的光”當(dāng)中，我們也沒有在兩個(gè)不同區(qū)域發(fā)現(xiàn)完全相同的模式。
但現(xiàn)在，讓我們來思考一個(gè)既重要而又令人不安的現(xiàn)實(shí)：宇宙不是靜態(tài)的，而是在膨脹的。更確切地說，宇宙不僅僅在膨脹，因?yàn)槠渲幸渤錆M了物質(zhì)和能量，它在膨脹時(shí)也有引力的作用。我們可以想象，至少在原則上，這意味著我們的遙遠(yuǎn)未來存在某些可能性。
（1）引力效應(yīng)可能比目前的宇宙膨脹更強(qiáng)大，這意味著，宇宙會(huì)膨脹一段時(shí)間，達(dá)到最大尺度，然后逆轉(zhuǎn)方向，開始收縮，甚至可能以“大坍縮”結(jié)束，就像一開始的“大爆炸”一樣；
（2）引力效應(yīng)可能沒有目前的宇宙膨脹強(qiáng)大，這意味著宇宙將永遠(yuǎn)膨脹，盡管膨脹速度可能會(huì)繼續(xù)放緩；
（3）引力效應(yīng)與初始膨脹可以完美地平衡彼此，這意味著，膨脹速率將以漸近線的形式接近于 0，但永遠(yuǎn)不會(huì)逆轉(zhuǎn)或重新坍縮。
在 20 世紀(jì)的大部分時(shí)間里，這就是宇宙學(xué)家們考慮的三種主要可能性。對(duì)宇宙膨脹速率和膨脹歷史的探索，就是為了更深入地區(qū)分這些選項(xiàng)。
▲ 可見宇宙的大小（黃色），以及我們所能達(dá)到的范圍（洋紅色）?？梢娪钪娴臉O限是 461 億光年，因?yàn)檫@是一個(gè)發(fā)出光的物體在遠(yuǎn)離我們 138 億年之后到達(dá)今天我們所處位置的極限。然而，在大約 180 億光年之外，即使我們以光速前往一個(gè)星系，也永遠(yuǎn)無法追上它。
如果第一個(gè)選項(xiàng)描述了我們所處宇宙的現(xiàn)實(shí)，那你就不可能永遠(yuǎn)走直線，因?yàn)橛钪嬷淮嬖谟邢薜臅r(shí)間，你最終會(huì)撞到一堵墻，一堵時(shí)間的墻。你可以一直沿著直線旅行，在宇宙再次完全坍縮之前回到起點(diǎn)，但到時(shí)你或許只能享受一小段時(shí)間。
如果第二個(gè)或第三個(gè)選項(xiàng)描述了宇宙的現(xiàn)實(shí)，那你最終將能夠“追上”任何存在于太空中的星系或物體，甚至是那些正在以極快的速度遠(yuǎn)離我們的星系或物體。隨著時(shí)間的推移，膨脹率會(huì)持續(xù)下降，漸漸地，越來越多的遙遠(yuǎn)星系會(huì)第一次出現(xiàn)在我們的視野中，并最終被一個(gè)在足夠長時(shí)間內(nèi)沿同一條直線移動(dòng)的太空旅行者超越。如果宇宙是無限的，那我們最終可以追上任何東西；如果宇宙是有限的，我們最終會(huì)回到自己的起點(diǎn)。
然而，更重要的問題是，這些場(chǎng)景都不足以描述我們的宇宙實(shí)際上是如何膨脹的。我們其實(shí)生活在一個(gè)由暗能量主導(dǎo)的宇宙中，這是空間結(jié)構(gòu)中固有的一種能量，它總是保持恒定的能量密度。即使空間本身在膨脹，暗能量的密度也永遠(yuǎn)不會(huì)下降，因此，膨脹速率永遠(yuǎn)是正的和有限的。這極大地改變了我們對(duì)宇宙命運(yùn)的預(yù)期，這意味著，對(duì)于任何一個(gè)距離很近，但不受銀河系引力約束的星系，一旦它擴(kuò)展到一定距離之外，我們就永遠(yuǎn)無法追上它。換言之，這個(gè)星系將從我們“觸手可及”的地方消失，無論我們朝它的方向旅行了多長時(shí)間，無論我們能達(dá)到的速度有多接近光速。
很遺憾，這就是我們目前所能獲得的答案。沿一條直線，你可以在時(shí)間上永遠(yuǎn)旅行下去，但只能到達(dá)可觀測(cè)宇宙的很小一部分。任何超出當(dāng)前宇宙視界的事物 —— 超出我們目前所能看到的極限 —— 都永遠(yuǎn)超出了我們的觀測(cè)能力范圍。事實(shí)上，我們今天已經(jīng)無法觀測(cè)到任何比 180 億光年更遠(yuǎn)的物體了。換句話說，在我們所能觀測(cè)到的所有物體中，只有大約 6% 的物體是我們可以到達(dá)的。每過一秒鐘，就會(huì)有成千上萬顆恒星被膨脹的宇宙推過這個(gè)臨界邊界，導(dǎo)致它們從“可及”過渡到“不可及”，即使我們現(xiàn)在就以光速出發(fā)追趕它們。
盡管有各種解釋宇宙形狀、曲率和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可能性，但即使永遠(yuǎn)沿直線旅行，你也永遠(yuǎn)不會(huì)回到起點(diǎn)。綜合事實(shí)如下：
?宇宙正在膨脹；
?暗能量導(dǎo)致膨脹加速；
?現(xiàn)在距離宇宙大爆炸已經(jīng)過去了 138 億年了；
?宇宙不會(huì)重復(fù)，在小于~460 億光年的尺度上也不是有限的，這使我們永遠(yuǎn)無法像環(huán)繞地球那樣，環(huán)繞宇宙航行。在某種非常宏大的尺度上，宇宙也許在本質(zhì)上確實(shí)是有限的。但即使如此，我們也不可能知道。盡管只要我們?cè)敢?，就可以一直在宇宙空間中以盡可能快的速度旅行；我們可以想象沒有盡頭，但大部分的宇宙已經(jīng)永遠(yuǎn)地遠(yuǎn)離我們，而且越來越遠(yuǎn)。一個(gè)宇宙視界限制了我們?cè)诓粩嗯蛎浀挠钪嬷新眯械木嚯x，就目前的我們而言，超過 180 億光年遠(yuǎn)的物體實(shí)際上已經(jīng)消失不見了。
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