宇宙的形状——你相信宇宙是 09

本系列文章预计会有10个章节，这套文献将系统讲述物理学本身，这里是第五季第9篇。

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小时候听大人讲，世界上最大的东西就是宇宙，宇宙无边无际。但是站在数学角度，它有极限吗？

以我目前仅有的浅陋知识只知道，不管宇宙有没有极限，我只知道宇宙的边缘一直都在膨胀，而且超过了光速。

所以这，无法想象！

作家万维钢说：“如果你想测验一个人的科学知识水平，有一个问题特别有意思。你可以问他，宇宙是有限大，还是无限大的？如果他回答宇宙是有限大的，那说明这个人具备了一定的科学素养。如果他回答宇宙是无限大的，那就有两种可能。

一种可能是这个人对现代科学一无所知；另一种可能，却是他对天体物理学的最新进展非常了解。”

今天我们来谈谈宇宙的形状，看看宇宙无边无际究竟有没有固定的形状。

01

我们现在已经确切知道，宇宙在时间上肯定是有一个开端，那就是大爆炸。你要问在大爆炸之“前”是什么？这个问题没有意义，因为那时候“时间”并不存在。时间，是有限的。

那么空间呢？宇宙完全可能是一个空间有限大，但又没有边界的存在。你只要想象一下地球的表面就明白了。地球的表面积是有限大的，但对于生活在地球表面这么一个二维空间的人来说，地球是没有边界的，不论他往哪里走，总能循环回到原点 —— 因为地球表面是*弯曲*的。

三维空间，也可以是弯曲的。

但是需要明确一点，宇宙空间“只能”是三维的。

有些科幻小说喜欢说宇宙空间是高维的，比如什么四维空间、五维空间，这都是不对的。

你可以在数学上证明，只有在三维空间中，行星轨道才可能是稳定的 —— 才允许有文明存在。

你可能听说过“超弦理论”，说有十维空间，但是请注意超弦理论中那些多出来的维度都是蜷缩起来、极其小尺度上的存在，是不算数的 —— 而且超弦理论至今没有任何可观测的证据。

所以宇宙是三维的，但是是可以弯曲的三维空间。

广义相对论说“ 物质告诉时空怎么弯曲，时空告诉物质怎么运动 ”，我们现在有充分的观测证据，大质量物体就弯曲了它周围的空间。

那么据此设想，人们推测，也许整个宇宙就是一个弯曲的巨大空间，就好像二维的地球表面一样。

如果你沿着某个方向在宇宙中一直走，最终也将会回到出发点。

当然宇宙实在太大了，而且空间膨胀的速度超过了光速，所以我们并没有观测到有一束光在宇宙中循环往返。

02 

过去十几年间，科学家用地面望远镜和太空探测器反反复复在大尺度上观测宇宙，发现空间……并不是弯曲的。

最新的一个结果是在2013年底由“重子振动分光镜勘测（Baryon Oscillation Spectroscopic Survey，简称 BOSS）”发现、2014年1月宣布的：在大尺度上，宇宙空间是“异乎寻常的平直（extraordinarily flat）”。

像这样超乎寻常的结论，科学家有超乎寻常的证据。弯曲空间中没有真正的“平行线” —— 比如你在地球的赤道上画两条平行线，你会发现这两条线会在极地交叉到一起；

而如果空间曲率是负的，平行线之间的相互距离就会越来越远。但是科学家测量遥远星系的光，发现并没有这种弯曲。

科学家还仔细考察了宇宙微波背景辐射的地图。如果空间是弯曲的，这个图就会有些弯曲，如下图所示 ——

但是科学家观察不到任何弯曲。现在观测的结果，我们有误差小于1%的精度，认为宇宙是平直的。

还有一个间接的办法。

根据广义相对论，质量和能量可以让空间发生弯曲，那么你只要统计一下宇宙里大概有多少的质能，就可以知道空间是怎么弯曲的。科学家把已知的可见物质、暗物质、暗能量这些质能都加在一起，就可以测量出宇宙的质能密度。

在广义相对论中还有一个理论上的“临界质能密度”，我们把观测的质能密度除以临界质能密度，得到一个数值，用希腊字母 Ω 表示。

如果 Ω>1，那就说明宇宙里物质比较多，引力比较大，宇宙空间的曲率就是正的，那么宇宙就像一个球一样弯曲；

如果 Ω<1，那就说明物质比较少，引力比较小，那么宇宙就会是一个像马鞍形一样的空间，是开放的。

你猜计算结果的 Ω 是多少？

结果是 Ω = 1 ± 0.004。

也就是在0.4%的精度之内，Ω 正好等于 1。

这说明我们这个宇宙的物质不多不少，引力不大不小，正好让空间是平直的！

空间是平的，所以我们这个宇宙中三角形的内角之和正好等于180度，两条平行线永远不会相交。

换句话说，你初中学的几何学正好够用，宇宙在大尺度上就是一个简单的欧几里得空间。

03

这个看似平淡，实则惊心动魄的事实，给我们带来了两个问题：一个是学术问题，一个是想象力问题。

学术问题是，宇宙质能密度系数 Ω 正好等于1，这大约相当于每立方米中有5个氢原子的能量。可这是为啥呢？为什么不是宇宙里每立方米有4个或者6个氢原子呢？这个问题现在没有人能解答。

只要 Ω 等于或者小于1，宇宙空间就无法闭合，就是无限大的。

想象力的问题是，一个平直而又没有边界的空间只可能无限大。

事实上，在2014年最新测量结果出来，开新闻发布会的时候，BOSS项目总负责人大卫·施莱格尔（David Schlegel）说，我们关心宇宙是不是平的，因为这关系到宇宙是有限大还是无限大的 —— 而“我们的观测结果和无限大的宇宙相吻合（Our results are consistent with an infinite universe）。”

这是一个非常令人不安的结果，有限大是可以想象的，无限大是不可想象的。大爆炸之前什么都没有，然后现在怎么就无限大了呢？

当然，你也可以说测量存在误差，测量结果是 Ω = 1 ± 0.004 —— 也许 Ω 并不严格等于1，宇宙空间并不是严格平的。

但即便如此，也意味着宇宙比我们能观测的、甚至比我们能想象的，都要大得多得多，至少是“几乎无限大”。

这么大是什么意思呢？物理学家对此也开了个脑洞，这会给你的想象力带来极大的刺激。

首先我们要知道，宇宙没有中心。空间的膨胀是哪里都在膨胀，宇宙中遥远的区域应该跟我们这里差不多，有差不多密度的星体。从微波背景辐射图来看，宇宙各个地方大体上就是差不多的，我们这里，一点都不特殊（宇宙学第一性原理）。

其次，你还要知道，根据量子力学，给定这么一堆物质，不管他们的排列组合有多少不同的可能，也一定是有限的。这意味着所有可能的文明世界形态，也只有有限多种。

好，那么如果宇宙是无限大或者近乎无限大的，而我们这里并不特殊，而文明又只有有限多种，这意味着什么呢？

意味着每一种可能都有几乎无限多个副本。

说白了，就是非常遥远的某个地方，存在着一个跟地球一模一样的星球。在那个星球上，存在着和我们一模一样的人。其中就有一个一模一样的“你”，也正在看这篇文章！

当然，你和他的下一步行动可能是不同的，比如有人选择关闭，有人继续阅读等...

甚至有人已经估算了这样的星球距离我们有多远。最近的那个一模一样的你，距离你大约是10的（10的29次方）次方，米。  

这当然是个不可思议的数字。使用常规的旅行方式你永远也不可能见到他，也永远无法和他取得联系，他有极大的可能性是我们可见宇宙范围之外。

这是一个非常好的科幻小说素材，它意味着网络小说流行的“穿越”在逻辑上是可能的。

物理学家不太相信什么“时间旅行”，说你回到我们这个地球曾经经历过的明朝末年，那不太可能，会造成因果关系的紊乱。

但是，如果宇宙中存在另外一个地球，那个地球和我们一样，不过它正好处于明朝末年，其中也有崇祯、魏忠贤、袁崇焕这些人物。如果你能通过什么虫洞之类的机制前往那个地球，那你尽可以随便折腾，不用担心影响我们这里的历史。

考虑到宇宙是无限大或者近乎无限大的，你可以认为一切“有可能发生”的事情，就都发生过、而且都会发生几乎无数次。因为再小的概率乘以一个几乎无穷大的数也可以大于1。

总结：

总体来说，宇宙一直都是一个未解之谜，有很多东西还需要我们去探索发现。我们需要保持对世界开放的认识，因为你所以为的真的可能不是你所以为的。

好，这一季度的物理学知识到这里就基本结束了，感谢大家的陪伴，后期内容主要以总结为主。

还望收集一波用户的需求，大家对物理学或其它哪方面感兴趣请留言，我们可以做继续分享下去。

好，今天就先这样

Masir 2022/05/13

祝 愉快~

【声明】

本篇摘自万维钢《精英日课》宇宙是平的...这很令人费解