简介

几百年前，当人们抬头仰望夜空时，都认为地球被一个黑色的罩子包裹着。那时人们简单地认为恒星就是一些发光点；太阳、月亮和其他行星都以某种精准的模式围绕地球转动。在他们的概念里，太空很小，以地球为中心并且是个标准的球体。

以哥白尼和伽利略为代表的科学家发现了这一理论的瑕疵。在伽利略提出“地球并非宇宙的中心”100多年后，人们才接受了这一理论。随着时间推移，我们也在更多地了解宇宙。现在，已经可以通过天文望远镜、卫星和探测器等先进工具来进行研究了。

我们已经可以得到距离地球百万光年之外星系的照片了。科学家通过特定的方法研究遥远的恒星，还能探测到太阳系中距离地球相当遥远的行星。

但是宇宙的全貌呢？我们对宇宙的整体了解又有多少？它在膨胀么？是不是在无限膨胀？如果不是的话，宇宙空间的边界又在哪里？太空看起来究竟像什么？

这些问题都属于宇宙学的范畴——就是研究宇宙。人们曾通过各种方法来研究宇宙，一部分人用数学的方法，也有的用物理方法，还有相当一部分通过哲学的方法来研究。

对于宇宙到底是什么样子的，宇宙学家并没有一致看法，但却有很多理论。解释这一问题的一个挑战就是，很难把问题形象化。我们曾用2维方法来定义空间，例如，你可以用横纵坐标来表示你现在所处的位置。但宇宙有4个维度，不但在横纵两维之上增加了深度，还必须加上时间轴，很多宇宙学家都把这一4维空间叫时-空。

宇宙大爆炸、引力论和广义相对论

三个理论有助于理解宇宙形状：大爆炸、引力论和爱因斯坦的广义相对论。宇宙学家在推测宇宙全貌时使用了这些理论。那么它们究竟是用来解释什么的？

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M100旋涡星系, 通过哈勃望远镜拍摄(图片来自STScI and NASA)

大爆炸理论揭示了宇宙的起源。通过观测分析，天文学家认为宇宙在不断膨胀中。他们探测并研究了其他天体数十亿年之前的发出的光线，那个时候宇宙还很年轻。科学家将观测结果理论化，认为宇宙中的一切物质和能量都集中在一个极其微小的点上，这个点突然爆发，形成了宇宙。物质和能量通过爆发在极短的时间内就被抛出了百万光年之外的地方。这些被抛出的物质和能量，就成为我们现在所了解的宇宙的一部分。

奇点

根据广义相对论，在大爆炸之前，体积为零、密度无穷大的点包含了宇宙的所有物质。这一点称为奇点。物质在进入黑洞的同时也进入了奇点状态，因为体积减为零而密度增加到无穷大。

引力论认为，物质的每一个粒子都对其他每一个粒子具有吸引力。粒子对其他粒子的吸引和粒子的质量成正比，和他们之间的距离平方成反比。可以用下面的等式来表示：

F = GMm/r2.

等式中，F表示引力的大小，M和m分别表示物体的质量，r2表示两个物体之间距离的平方。那么G代表什么？G是引力常数，任何两个物体之间的比例系数，它与物体的质量无关。引力常数大小是6.672 x 10-11 N m2 kg-2 [来源: World of Physics]。这个数值非常小，这就解释了为什么物体并不总是吸引在一起的。但对质量巨大的物体来说，这一常数不可忽略，某一物体对其他物体所产生的引力可能是巨大的。

如果大爆炸理论是正确的，宇宙开始形成的时候就必然有巨大的能量爆发，从而将物质快速推向遥远的距离，这些能量必须克服宇宙中所有物质的引力。宇宙学家目前正试图确定宇宙中到底有多少物质。物质足够多，引力效应就会逐渐减弱并阻止宇宙膨胀，最终宇宙就会缩小到另一个奇点，这一理论称为大崩缩。但如果物质不够多，引力也将不够强，不能阻止宇宙的膨胀，宇宙就会无限膨胀下去。

相对论又是关于什么的？除了解释了物质和能量之间的关系，还得出一个结论：空间是弯曲的。太空中的星体绕着椭圆轨道运行的原因并不是引力作用，而是由于空间是弯曲的，因此直线最终变成了闭合的圆圈。几何学中曲平面上的直线称为测地线。

以上述三个理论为基础形成的其他许多理论分别描述了空间的真实面貌，但对于哪一种解释才是正确的则并无定论。

宇宙理论上应该是什么样子的？为什么我们不知道哪种解释才是正确的？请看下一章。

几个主要的描述

下面是3个不同曲率下的宇宙模型：零曲率、正曲率和负曲率。

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图中的3个模型分别展示了不同曲率下的宇宙可能的形态：零曲率、正曲率和负曲率

零曲率在一个平面上或者欧几里德空间(欧几里德几何学专门用来处理非曲面)上描述宇宙，一个欧几里的空间就是一个平面，在一个平面内才有可能出现平行线。平面宇宙中，有恰好足够的物质支持宇宙无限膨胀而不会出现崩缩，而膨胀的速度则随着时间减缓。

正曲率的宇宙是封闭的宇宙。这样的2维宇宙模型就像是球体，不可能出现平行的测地线(测地线是曲面上的直线)——两直线必然在某点相交。在封闭的宇宙中，有足够的物质阻止宇宙膨胀，最终这样的宇宙就会崩缩。封闭的空间是有限的，在膨胀到一定程度后就会崩缩。

了解负曲率宇宙要动点脑筋，最常见的描述就是它像马鞍。在负曲率模型下，平面上平行的两条线可能彼此远离。宇宙学家将负曲率的宇宙模型称作开放的宇宙。在开放的宇宙模型中，没有足够的物质来阻止或减缓宇宙膨胀，因此宇宙将无限膨胀下去。

是不是这就意味着宇宙的形状就是平面、封闭球体或者马鞍状？也不一定。要记得时-空是四维的，这一事实减弱了二维模型的有效性。此外，还有很多其他理论来描述宇宙最终的形状。

其中的一个理论就是三重环面(triple torus)。乍一看，三重环面就是普通的立方体，但每个平面都和对面的平面相连。想象你乘坐太空飞船在一个大立方体中飞行，当你向立方体的顶部飞去的时候，接触时不会碰到顶部被压扁，而是出现在立方体底部的相应一点。如果向任意的方向飞行够远的距离，你就会回到出发的地方。这并不是什么新奇的概念，就像在地球上一样，只要你按照直线行进，最终都会回到出发地。

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本图展示了从外部看到的12面体

另一种解释宇宙形状的理论称作庞加莱同调球(也可称作庞加莱十二面体——译者注)。同调球是个十二面体，庞加莱变分有这样稍微向外延伸的曲面。令人疑惑的是这一方法映射出的宇宙尺寸比我们能够时间观测到的小，也就是说，我们的观测超过了宇宙的界限。而宇宙学家说这不是问题。当你观测遥远的星系时，它似乎就在宇宙的边界之外，你所经历的就是庞加莱同调球效应的卷曲影响。也许看到的星系在后方，但你就好像把十二面体的一个面当作窗户向外看。如果看的足够远，就能看你自己的后脑勺。

很晕吧？解释宇宙形状的理论还有很多，但目前为止还无法很好的与观测一致。真正的事实再哪里？如何得到？请看下一章。

如何量度宇宙

光学天文望远镜能帮助我们用可见光谱来探测星体，但它的功能还不够强大，因为遥远星系发出的光线在到达地球之前能捕获粒子群等物质。还有的设备能够测量可见光以外的光谱。宇宙学近期的热点集中在宇宙微波背景辐射(osmic microwave background, CMB)。CMB是宇宙诞生仅38万年的时候发出的射线，通过研究这种射线，宇宙学家能够描述宇宙在初始时期的样子。

通过威尔金森宇宙微波各向异性探测卫星(Wilkinson Microwave Anisotropy Probe ,WMAP)，科学家发现了CMB的一个有趣现象：微波背景辐射射线的波长变化在某一点停止了。在时空无界的宇宙中，波长应该没有极限，因此科学家理论上应该能够观测到不同频率和波长的射线。只有在有界的宇宙中，或者特定的无界宇宙中，才能够观测到波长的界限。

进入耳朵的音乐

在和声学中，弹拨乐器发出的声波波长是拨弦长度的2倍，不可能发出2倍以上波长的声音。在宇宙中，没有发现更长波长的射线这一事实让一些宇宙学家相信宇宙是有界的。

关于膨胀学说，宇宙学家定义了密度参数这一概念：宇宙中物质的数量与阻止膨胀所需物质数量的比值。密度参数大于1，说明宇宙是封闭的，物质的质量足够大，能满足逆转膨胀的需要；密度参数等于1，说明宇宙是平坦的，膨胀速度在减缓，但永不会停止；密度系数在0和1之间，说明宇宙是开放的，将会永远膨胀下去。

但是我们并不知道宇宙中到底有多少物质。我们能够探测到的物质很少——大概是能够逆转膨胀物质的30%。另外可能还有我们根本无法观测到的物质，宇宙学家注意到，恒星以一种奇怪的方式在移动——似乎有比我们探测到的数量还要多的物质在向它们施加引力影响。部分宇宙学家将这一发现理论化，认为宇宙中有一种物质我们无法观测到，这就是暗物质。

暗物质的数量是否足够引起大崩缩？也就是说，宇宙中是否有足够的物质能维持平衡并让密度参数等于甚至大于1？虽然宇宙学家相信暗物质远远多于能观测到的物质，但他们推测可见物质和暗物质的总量仍然只占能逆转膨胀所需物质的30%。

大爆炸之前发生了什么？

宇宙大爆炸之前发生了什么？这个问题无法回答。科学家的理论是，一旦将宇宙中的物质压缩到奇点(体积为零密度无穷大)，科学定律就不再适用。由于物理学定律未得到完全证实，也就无法知道大爆炸之前发生了什么，因此科学家也无法回答这个问题。

虽然现在我们还不知道宇宙的确切形状，但研究的进步每天都带给我们新的发现。如果宇宙有界，在边界之外又是什么景象？我们还不知道，也可能无法知道。