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)定不移地朝一個方向旅行下去，會發(fā)生什么

這張圖描繪了一個假想的環(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，在時空中也是彎曲的不過，把宇宙想象成某種宇宙甜甜圈會更簡單，也更有趣

宇宙是一個巨大，奇妙而又古怪的所在從人類的視角，各個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，你在一個方向上看到的一個星系，當(dāng)你從不同的視角，或者從相反的方向看，也會看到同樣的星系宇宙真的會循環(huán)往復(fù)嗎如果你沿著直線旅行得足夠遠(yuǎn)，最終會回到起點(diǎn)嗎，就像你在地球表面朝任何一個方向走了足夠長的時間一樣或者，會不會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，伴隨著宇宙的膨脹，它們發(fā)出的光會向波長更長，更紅的方向移動這些物體不斷遠(yuǎn)離我們，伴隨著膨脹的持續(xù)，它們會越來越遠(yuǎn)

這是一個值得思考的有趣問題對大多數(shù)人來說，空間和時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)我們仰望宇宙的時候，看到的物體并不是它們?nèi)缃翊嬖诘臉幼訌奈覀兊慕嵌葋砜?，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，時間足夠長，那我們最終會回到起點(diǎn)，沒有什么能阻止我們到達(dá)設(shè)定的目的地

為什么會這樣。

大爆炸同時發(fā)生在所有地方，如果我們位于宇宙的其他地方，也會經(jīng)歷同樣的 138 億年時間但如果我們從那個位置觀察地球，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)時的樣子，當(dāng)時到達(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

如果我們在月球上，這些反射光大約就是 1.3 秒前發(fā)出的如果我們在一顆圍繞半人馬座 α 星運(yùn)行的行星上，那這些光的存在就已經(jīng)有 4.3 年了如果我們在仙女座星系，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遙遠(yuǎn)的物體時，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，就會有另一個因素在起作用: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，這是人類對宇宙認(rèn)識的最大變革之一一個距離我們越遠(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，它的光會被拉伸至更長的波長

即使是在一個不斷膨脹的宇宙中，只要有足夠的時間，遙遠(yuǎn)天體發(fā)出的光終究會被我們看到不僅光子的波長會因?yàn)橛钪娴呐蛎浂焕L，物質(zhì)粒子的德布羅意波長也會被拉長光在宇宙中穿行的時間越長，它的波長因宇宙膨脹而被拉長的程度就越大

在宇宙中，有三種情況通常會導(dǎo)致紅移:

當(dāng)光源與觀察者相對遠(yuǎn)離彼此時，

當(dāng)射出的光需要爬出一個巨大的重力勢阱時，

當(dāng)兩個物體之間的空間在光的旅程中膨脹時。

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，負(fù)曲率或平坦的宇宙中，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正曲率的曲面是如何有限并循環(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€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量膨脹速率隨時間的變化，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)測它在遙遠(yuǎn)未來會如何膨脹，以及宇宙最終的命運(yùn)會是什么。

圓環(huán)幾何結(jié)構(gòu)是空間平面的一個例子，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，穿過一個不會膨脹，靜態(tài)不變的宇宙，情況會有什么不同。

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論帶來的重大變革之一，就是讓人們認(rèn)識到，空間本身并不能簡單地用直線構(gòu)成的的三維網(wǎng)格來描述，因?yàn)檫@種描述是剛性，絕對的相反，空間本身必然會因物質(zhì)和能量的存在而彎曲當(dāng)存在一個巨大且過度密集的物質(zhì)和 / 或能量集合時，就會導(dǎo)致更大的空間曲率，而當(dāng)物質(zhì)和能量低于平均水平甚至是負(fù)的時，就會導(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

在廣義相對論中，我們所居住的時空也可以有一個全局結(jié)構(gòu)你的時空可以是正曲率的，就像一個球體，它也可以是負(fù)曲率的，就像一個馬鞍，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)，只需簡單地想象一個長而直的圓柱體，然后把這個圓柱體彎曲成一個甜甜圈狀，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。

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方向上走得足夠遠(yuǎn)，或者說在一個方向上走得足夠久，你最終會回到起點(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

宇宙可能是無限，開放的，與它的曲率無關(guān)無論你朝哪個方向走了多遠(yuǎn)，花了多長時間，你總會發(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)都對應(yīng)著一個物質(zhì)和能量共同對抗初始膨脹速率的宇宙在我們觀測到的宇宙中，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候，就是在空間某處有一個巨大的引力質(zhì)量時，來自背景源的光被扭曲成多個不同的路徑，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

可是，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，整個宇宙中并不存在重復(fù)的結(jié)構(gòu)，沒有哪個物體會與我們在另一個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

引力效應(yīng)可能比目前的宇宙膨脹更強(qiáng)大，這意味著，宇宙會膨脹一段時間，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，

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繼續(xù)放緩，

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)不會逆轉(zhuǎn)或重新坍縮。

在 20 世紀(jì)的大部分時間里，這就是宇宙學(xué)家們考慮的三種主要可能性對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，以及我們所能達(dá)到的范圍可見宇宙的極限是 461 億光年，因?yàn)檫@是一個發(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可是，在大約 180 億光年之外，即使我們以光速前往一個星系，也永遠(yuǎn)無法追上它

如果第一個選項(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間，你最終會撞到一堵墻，一堵時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)，但到時你或許只能享受一小段時間

如果第二個或第三個選項(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伴隨著時間的推移，膨脹率會持續(xù)下降，漸漸地，越來越多的遙遠(yuǎn)星系會第一次出現(xiàn)在我們的視野中，并最終被一個在足夠長時間內(nèi)沿同一條直線移動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，我們最終會回到自己的起點(diǎn)

可是，更重要的問題是，這些場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宇宙命運(yùn)的預(yù)期，這意味著，對于任何一個距離很近，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，你可以在時間上永遠(yuǎn)旅行下去，但只能到達(dá)可觀測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)超出了我們的觀測能力范圍事實(shí)上，我們今天已經(jīng)無法觀測到任何比 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，就會有成千上萬顆恒星被膨脹的宇宙推過這個臨界邊界，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)不會回到起點(diǎn)。綜合事實(shí)如下:

。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)定不移地朝一個方向旅行下去，會發(fā)生什么？。宇宙正在膨脹，

。暗能量導(dǎo)致膨脹加速，

?，F(xiàn)在距離宇宙大爆炸已經(jīng)過去了 138 億年了，

宇宙不會重復(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愿意，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)一個宇宙視界限制了我們在不斷膨脹的宇宙中旅行的距離，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