宇宙有限还是无限

在有了暗物质和暗能量的基本概念后，就可以来谈谈宇宙的形状以及宇宙到底是有限还是无限这个问题了。当然，我们这里所指的宇宙是现在的宇宙，而不是早期的宇宙。根据宇宙大爆炸理论，宇宙开始于一个点，在诞生的最早期，当然是有限的，我还给你打过一个恐怖的循环空间的比方。而现在我们要谈的是经过了138亿年膨胀之后的宇宙，到底又是一个什么样的形状呢？

看过我《时间的形状》那本书的读者就会明白，时间和空间都可以被弯曲，是可以有特定的形状的。当然，也一定会有不少读者不能理解空间弯曲的概念，所以，我还得先简单地普及一些关于空间形状的基础知识。我们先从一个平面开始，在一张平坦的纸上，可以画出两根互相平行的线，它们永远也不会相交。也可以在这张纸上画一个三角形，三角形的内角和一定是180度。但在地球上，看似两根互相平行的经线，最终会相交于南北两个极点，在一个球面上画一个三角形，则三角形的内角和是大于180度的。正是这些几何属性上的差异，让我们能够理解什么是一张完全平坦的纸面和一张弯曲的纸面。现在我们把这个理解再往前走一步，如果在宇宙空间中的两根平行线也会最终相交，如果在宇宙中的一个三角形的内角和不是180度，那么我们就会发现空间也是有形状的。用专业一点的术语来讲，就是空间的曲率。如果空间的曲率为正，那么空间就好像一个篮球的形状，三角形的内角和大于180度；如果空间的曲率为负，那么空间就好像是一个马鞍的形状，三角形的内角和小于180度；如果空间的曲率为零，那么空间就是完全平坦的。因此，空间的曲率决定了宇宙的形状。

早期的宇宙空间曲率显然是正的，空间被弯曲成闭合的曲面。如果今天的宇宙空间曲率依然是正的，那么我们就有可能观测到一个景象，那就是会看到某一个星系的多重镜像。这是因为该星系发出的光绕着宇宙跑了不止一圈，每跑一圈我们就会看到一个完整的镜像。天文学家一直在寻找这样的多重镜像，但是迄今为止还没有找到。当然，这还不足以证明宇宙就不是有限的，但至少能说明一点：即便宇宙是有限的，也一定非常非常的大，所以光还来不及绕着宇宙跑道跑上一圈。

在研究宇宙的形状这个问题上，有两种解决思路：第一种是根据爱因斯坦的广义相对论方程，将空间的曲率问题转换成宇宙空间中的质能密度问题，也就是宇宙中所有物质和能量的平均密度。如果质能密度超过一个临界值，那么引力就会导致空间朝自己弯曲，形成闭合的球形，空间曲率为正；如果质能密度没有超过这个临界值，那么空间就弯曲自如，形成马鞍面这样的形状，空间曲率为负；而如果质能密度不多不少，刚刚好等于临界值的话，那么空间就是绝对平坦的，曲率为零。据理论计算的结果表明，这个临界值大约是2×10-29克／立方厘米，大概相当于每立方米存在6个氢原子这样一种密度。换句话说，就是把地球、太阳、月亮以及所有的天体都打碎了，把它们所包含的所有原子都平均分布在宇宙空间中，看看每立方米能分到多少原子。最开始的时候，科学家们简单一算，发现物质的量远远小于临界值，因为现在的宇宙已经膨胀得太大了，物质的平均密度小得可怜，所产生的那点儿引力远不能把宇宙重新弯曲成闭合的曲面，空间的曲率只能是负的。但是正如我们前面看到的，先是发现了暗物质，后又发现了暗能量，这个情况就大大不同了。因为事关宇宙形状的根本问题，所以几十年来天文学家一直在精心测量。目前虽然还没有一个非常确定的结论，但是一颗接一颗的卫星和太空望远镜上天，把我们对宇宙平均质能密度的测量精度推向一个又一个新的高度，让科学家们越来越确信，宇宙的曲率不多不少，恰好是零。这实在有点儿像针尖上的舞蹈，精巧得有点儿让人目眩神迷。

除了用测量质能密度这个思路来研究宇宙的形状，还有一个思路更为直接，那就是测量宇宙中一个巨大的三角形的内角和，看看内角和到底是不是180度。方法也很粗暴，就是找三颗相距很远的恒星，假想他们之间连起了一个巨大的三角形，通过一些简单的几何换算，间接测量这个巨大三角形的内角度数，从而确定三角形的内角和。

尽管目前的观测还无法完全确定宇宙空间的曲率到底是三种情况中的哪一种，但从我掌握的最新资料来看，目前大多数天文学家和宇宙学家都更倾向于空间曲率为零或者负，而不是正。近年来越来越多科学家又更倾向于宇宙空间的曲率刚刚好就是零，我们的宇宙从大尺度的角度来看，是一个完全平坦的宇宙。

但是，无论曲率是零还是负，都可以得出一个推论：宇宙是无限大的。换句话说，如果你朝着宇宙的一个方向一直前进，永远也不可能回到原点。

我们还可以用另外一种方式来理解这个无限大是什么概念。大家已经知道，光速是一切物质运动的速度上限，而我们在前文中已经解释过，星系相对于我们的退行速度可以超过光速，那么无论我们怎么追，也不可能追上那些退行速度超过光速的星系。

我们永远也无法知道到底有多少星系已经退出了我们的视界范围，但是请记住，虽然宇宙的整体是无限的，宇宙的可观测部分却是有限的，这就是可观宇宙的大小。有时候我们说起宇宙的大小，往往指的就是这个概念，因为宇宙一直在膨胀，所以当我们向太空深处极目远眺时，看到的最远的地方其实远远超过138亿光年。

根据宇宙膨胀的速度，我们可以计算出朝一个方向看最远可达的距离是465亿光年，这就是可观宇宙的半径，那么整个可观宇宙的直径大小就是930亿光年。

我还可以用另外一个更加专业一点的方式来讲解什么是可观宇宙：假设有一个光子从大爆炸的奇点出发，在膨胀的宇宙中一直飞行了138亿年，就好像一个人在机场的自动人行步道上走了138亿年，那么经过的距离总共是多少呢？根据已知的各种宇宙学参数可以计算出，这个距离就是930亿光年。在宇宙学中，这个距离也被称之为今天宇宙的“粒子视界”，这个视界会随着宇宙年龄的增长而增长。