宇宙是什麼形狀？

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科學家用9年時間內收集的WMAP數據繪製出詳細的嬰兒期宇宙全天圖。這張圖片揭示了宙誕生137.7億年以來，星系從起源到演化過程中的溫度波動（溫度差異顯示為不同顏色）。

說到宇宙的形狀時，天文學家們通常會提到兩個概念：

1、局部幾何的概念：這涉及到可觀測宇宙的幾何形狀及其曲率。

2、全局幾何的概念：這涉及到拓撲學的概念，在拓撲學中，事物可能會與它們看起來的樣子截然不同。

如果我們可以觀察整個宇宙，並且不受其幾何性質或其它特徵限制，那麼以上兩條就是一致的。但如果湊巧兩者不一致，並且觀測被某些宇宙的內在特性所限制，我們就無法知道宇宙形狀——至少現在沒辦法知道。

大多數人會認為宇宙是一個對稱的球形——差不多像地球一樣的球狀。我們知道地球表面不是平的，在幾何學中，這意味著地球表面上看似「平行」的線並不真正平行。所有的線，即使它們開始時候平行，最終也會有交點，並且它們之間的距離不是固定的。如下圖所示：

三種可能的宇宙的形狀：封閉式，開放式和平面

如果宇宙是平面的話，平行線就會永遠保持平行——這是問題的關鍵。而在實驗中，科學家們發現，來自不同星系的光在很長距離上仍然保持平行。重子振蕩光譜測量（BOSS）望遠鏡也給出了一些非常有力的證據，證明了可觀測宇宙確實是平坦的，這令人感到很困惑。

美國勞倫斯伯克利國家實驗室物理學分部的大衛·塞拉格爾（David Schlegel）表示：「我們之所以關心這個問題，是因為如果宇宙是平坦的，就意味著它可能是無限的，沒有盡頭——它會在空間和時間中永遠延伸。我們的結果可能會支持無限宇宙模型。」

宇宙到底是有限，還是無限的？

18世紀，德國天文學家海因里希·威廉·奧爾伯斯（Heinrich Wilhelm Olbers）提出了一個悖論：如果宇宙是無限的，那天空就不會是黑暗的，因為在任何方向都會有無限的空間，無限的空間里充滿了發光的恆星。然而，我們看到的夜空並沒有被整個照亮，這樣說的話，宇宙就不應該是無限的。不過，奧爾伯斯悖論沒那麼簡單，有很多複雜的解釋，比如宇宙正在迅速膨脹，所以遙遠的恆星將會紅移直到黯淡，或者來自其他恆星的光還沒有到達我們這裡——不過這個我們也無法得知。現在知道的是，超過約137億歲的恆星或星系太遠了，他們發出的光永遠無法到達地球。所以我們大概知道了宇宙的年齡，但它的大小呢？

你可能會說，我們直接測量一下宇宙各個方向的長度，不就知道宇宙的大小了？但這也沒那麼簡單。

宇宙在一個膨脹的球體上。最遠的星系移動最快，因此會有長度收縮，站在中心位置的觀察者會看到它變小。

可觀測宇宙的直徑是910億光年。從可觀測宇宙邊緣到達我們地球的光所走的距離，就非常接近宇宙的年齡乘以光的速度，即138億光年，但這個距離會隨著時間變化，因為可觀測宇宙邊緣和地球的距離正在不斷增加。因為我們無法觀察到可觀測宇宙邊緣外的空間，所以無法直接知道宇宙是不是無限的。現代的測量數據，包括宇宙背景探測器（COBE），威爾金森微波各向異性探測器（WMAP）和普朗克衛星的CMB地圖，都表明宇宙在廣度上是無限的，但是這一點還存在爭議。

137.7億年中宇宙演化的示意圖。最左邊代表我們現在可以探測的最早時刻，「暴脹」（inflation）時期宇宙以指數形式迅速膨脹。

大多數人都了解一些關於大爆炸期間發生的事情，但很多誤解恰恰也產生於這一方面。當空間產生時，大多數人都會覺得它會在所有方向上同時延伸——但事實並不是這樣。在大爆炸之前，沒有空間或時間。所以，大爆炸的「外面」並不存在任何東西，讓宇宙「延伸到那裡」。宇宙只是從一個微小的體積擴大到一個巨大的體積，甚至直到現在還在繼續擴大——但這不能保證它在各個方向是對稱的。

所以讓我們回到局部幾何和全局幾何的概念上來。我們所能觀測到的是局部幾何，即可觀測宇宙。即使不可能做到無一缺漏，我們的觀測也要儘可能地詳細，且考慮周到。

關於宇宙的形狀，有三種不同的可能，並且都有自己獨特的含義：

1.宇宙曲率為零，即宇宙是平坦的。它不一定是無限的，也不一定需要像紙一樣：它可以是環狀的。

2.宇宙曲率為正，也就是球形。

3.宇宙曲率為負。你可以把它想像成一個三維的無限延伸的鞍狀物。

來源：UFO之家

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