現(xiàn)代的科學研究表明宇宙是平的，宇宙是“平”的代表著什么意思呢？
科學家用9年時間內(nèi)收集的WMAP數(shù)據(jù)繪制出詳細的嬰兒期宇宙全天圖。這張圖片揭示了宇宙誕生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）。 圖片來源：NASA / WMAP
在宇宙中間去思考宇宙的形狀確實有些荒謬。我們一般是通過從外部觀察來了解物體的形狀——但我們怎么可能跑到宇宙的外面去觀察宇宙呢？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，并且不受其幾何性質(zhì)或其它特征限制，那么以上兩條就是一致的。但如果湊巧兩者不一致，并且觀測被某些宇宙的內(nèi)在特性所限制，我們就無法知道宇宙形狀——至少現(xiàn)在沒辦法知道。
大多數(shù)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”的線并不真正平行。所有的線，即使它們開始時候平行，最終也會有交點，并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。圖片來源：NASA
所以說，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(guān)鍵。而在實驗中，科學家們發(fā)現(xiàn)，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(jù)，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(wèi)·塞拉格爾（David Schlegel）表示：“我們之所以關(guān)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(jié)果可能會支持無限宇宙模型。”
有限與無限
這就引出了另一個關(guān)于宇宙形狀的，還存在爭議的問題：宇宙到底是有限，還是無限的？我們都知道宇宙非常大，但它是無限的嗎？
人類一直在思考這個問題。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(fā)光的恒星。然而，我們看到的夜空并沒有被整個照亮，這樣說的話，宇宙就不應(yīng)該是無限的。不過，奧爾伯斯悖論沒那么簡單，有很多復雜的解釋，比如宇宙正在迅速膨脹，所以遙遠的恒星將會紅移直到黯淡，或者來自其他恒星的光還沒有到達我們這里——不過這個我們也無法得知。現(xiàn)在知道的是，超過約137億歲的恒星或星系太遠了，他們發(fā)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？但這也沒那么簡單。
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。圖片來源： Drschawrz
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�，F(xiàn)代的測量數(shù)據(jù)，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(wèi)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。
那么大爆炸呢？
137.7億年中宇宙演化的示意圖。最左邊代表我們現(xiàn)在可以探測的最早時刻，“暴脹”（inflation）時期宇宙以指數(shù)形式迅速膨脹。 圖片來源：NASA / WMAP
大多數(shù)人都了解一些關(guān)于大爆炸期間發(fā)生的事情，但很多誤解恰恰也產(chǎn)生于這一方面。當空間產(chǎn)生時，大多數(shù)人都會覺得它會在所有方向上同時延伸——但事實并不是這樣。在大爆炸之前，沒有空間或時間。所以，大爆炸的“外面”并不存在任何東西，讓宇宙“延伸到那里”。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(xiàn)在還在繼續(xù)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，我們的觀測也要盡可能地詳細，且考慮周到。
宇宙的整體形狀
所以，我們的宇宙可能是平坦且無限的，但這并不能幫助我們推知它的整體形狀。即使平行線永遠是平行的，可觀測宇宙是平坦的，也并不意味著整個宇宙是平坦的。它可能類似于莫比烏斯環(huán)——空間彎曲、扭曲，但線保持平行，最后將空間的一端連接到另一端上去。
最后，關(guān)于宇宙的形狀，有三種不同的可能，并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(huán)狀的。
2.宇宙曲率為正，也就是球形。
3.宇宙曲率為負。你可以把它想象成一個三維的無限延伸的鞍狀物。
我們現(xiàn)在也不知道到底哪種說法正確。我們所知道的是，可觀測的宇宙是平坦的——這確實也是一個了不起的發(fā)現(xiàn)了。
責編：科普知識網(wǎng)