“宇宙是否有盡頭，時(shí)間是否有長(zhǎng)短……”，來自影視臺(tái)詞中的問題正是目前科學(xué)家所困惑的。宇宙是無限的嗎？我們現(xiàn)在依然無法給出確切的答案。一些物理學(xué)家提出了宇宙的幾何形狀是閉合的甜甜圈，以此認(rèn)為宇宙是有限的。而另一些學(xué)者相信快速暴漲的概念，我們只能在可觀測(cè)宇宙中了解物質(zhì)與存在的概念。本文五位學(xué)者，包括天文學(xué)家、科學(xué)哲學(xué)家、科學(xué)史家對(duì)宇宙是否是無限的給出了自己想法。

撰文丨Noor Gillani

編譯丨田芳

我們已經(jīng)知道宇宙在膨脹，但是近些年來研究發(fā)現(xiàn)膨脹的速度遠(yuǎn)超過我們的預(yù)期。

盡管望遠(yuǎn)鏡和衛(wèi)星技術(shù)有了很大的突破，但是人們認(rèn)為宇宙中仍有很多事物遠(yuǎn)在我們的視線之外，超出了所謂的可觀測(cè)宇宙（observable universe)。

這也意味著我們還不確定整個(gè)宇宙的形狀——究竟它是一個(gè)閉合的宇宙“甜甜圈（doughnut）”，還是像一張無窮大的紙一樣延伸的平面，或者是一個(gè)不斷膨脹的巨大球體？

宇宙學(xué)家經(jīng)常提到?jīng)]有邊緣和頂點(diǎn)的甜甜圈——類環(huán)結(jié)構(gòu)。環(huán)狀是很重要的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)。

科學(xué)家想要了解空間的盡頭以及那里可能的樣子。他們是如何看待宇宙的命運(yùn)，它會(huì)永遠(yuǎn)膨脹嗎？我們采訪了五位科學(xué)家，似乎還沒有確定的的結(jié)論。

以下是他們回答。

Anna Moore（澳大利亞國(guó)立大學(xué)空間研究所教授，天文學(xué)家）：可能

簡(jiǎn)而言之是，“我們不知道宇宙是否有限”。我們知道可觀測(cè)宇宙——我們可以明顯看見和測(cè)量的部分——起源于138億年前的大爆炸。所以我們知道宇宙的年齡是有限的，至少可以從大爆炸時(shí)期算起。但是宇宙現(xiàn)在變得越來越大。從大爆炸時(shí)期以來，它就開始從各個(gè)方向膨脹，現(xiàn)在仍在繼續(xù)（近來膨脹的速度越來越快）。

大爆炸的殘余輻射，被稱作“宇宙微波背景輻射（cosmic microwave background）”，代表了更小、更熾熱、更致密的宇宙的最早期圖像。我們可以從早期的圖像來理解最大尺度的宇宙的形狀（或者幾何形狀）。知道這點(diǎn)對(duì)于我們了解宇宙是無限的還是有限的非常重要。

衛(wèi)星的探測(cè)結(jié)果表明，宇宙具有平坦的幾何形狀。在平坦的宇宙中，兩束并排射入空間的光束將永遠(yuǎn)保持平行，不會(huì)相交也不會(huì)遠(yuǎn)離。這樣來看，我們?nèi)匀豢梢詫A筒或者圓環(huán)（甜甜圈）形狀的宇宙視為“平坦的”。

目前的探測(cè)技術(shù)還不夠精確，無法讓我們知道宇宙的平面幾何結(jié)構(gòu)是否可以由一張紙、一個(gè)圓筒、環(huán)面還是任何其他允許兩束光平行通過的結(jié)構(gòu)來表示。一個(gè)無限的宇宙可能是像一張紙一樣的平坦幾何形狀，將永遠(yuǎn)延伸下去并包含一切的可能性，比如我們自己的無窮版本。另一方面來講，一個(gè)甜甜圈形狀的宇宙將必須是有限的，因?yàn)樗情]合的。但是目前為止，我們?nèi)匀徊恢烙钪娴男螤?，也不知道它的大小?/p>

Sara Webb （斯威本科技大學(xué)天體物理學(xué)博士生）：是的

我相信宇宙是無限的。我們知道宇宙起源于大爆炸。從觀測(cè)來看，我們還不知道在哪里起源，但大爆炸發(fā)生了。不論你在宇宙的哪里（在銀河系或者很遙遠(yuǎn)的地方），宇宙以你為中心向各個(gè)方膨脹?，F(xiàn)在我們計(jì)算出宇宙有大約138億年的歷史了，意味著已經(jīng)膨脹了很多。所以從邏輯上來講，我們可以估計(jì)宇宙的半徑為138億光年，對(duì)嗎？

但是可觀測(cè)宇宙的半徑事實(shí)上有460億光年，這意味著我們可以看到的第一束光（大爆炸后38萬年）來自460億光年之外的距離。這是由于所謂的“快速暴漲（rapid inflation）”。然而，我們沒有理由認(rèn)為可觀測(cè)宇宙的邊緣就是實(shí)際宇宙的邊緣。

我們傾向于事物具有三維形狀，如球體、立方體或者錐體等。我們可以把宇宙想象成一個(gè)無限膨脹的球體。或者它可能以一種使自己成為閉合系統(tǒng)（甜甜圈）的方式彎曲，在這個(gè)系統(tǒng)里你可以沿著直線航行足夠遠(yuǎn)，而最終會(huì)返回到你出發(fā)的地方——宇宙是有限的。

但是我傾向于另外一種可能性，即大爆炸之后的暴漲。有一個(gè)理論認(rèn)為，暴漲實(shí)際上是永恒的暴漲，這意味著它總是發(fā)生在這里或者那里，使得宇宙是無限的。這就要深入研究量子漲落甚至多重宇宙那樣難以想象的理論。作為科幻愛好者，我怎么可能不希望它是真的呢？

Tanya Hill ?（墨爾本大學(xué)名譽(yù)研究員，維多利亞博物館高級(jí)策展人，天文學(xué)家）：是的

我們能看到的宇宙是有限的?？捎^測(cè)宇宙是有限的，它不會(huì)永遠(yuǎn)存在。它在我們周圍延伸至460億光年（雖然我們的宇宙有138億年的歷史，隨著宇宙正在膨脹，可觀測(cè)宇宙的范圍更廣）。

可觀測(cè)宇宙是以我們?yōu)橹行牡?。遙遠(yuǎn)星系中的外星人也可以擁有以它們自己為中心的可觀測(cè)宇宙。雖然這些不同中心的可觀測(cè)宇宙可能會(huì)有一些重疊，但是也不可避免地會(huì)存在一些我們所看不到的區(qū)域。因此，我們不可能說宇宙是否有限，因?yàn)槲覀儾荒芡暾乜吹剿?。相反，我們通過探索宇宙的形狀來解決這個(gè)問題。盡管我們不知道整個(gè)宇宙的形狀，但是我們知道以我們?yōu)橹行牡挠钪娌糠质瞧教沟?。這意味著在巡航控制下平行飛行的兩枚火箭將始終保持平行。因?yàn)榭臻g不會(huì)彎曲，火箭也永遠(yuǎn)不會(huì)相遇或者遠(yuǎn)離彼此。

一個(gè)平坦的宇宙可能是無限的，比如一張永遠(yuǎn)延伸的二維紙張。但它也有可能是有限的，比如用一張紙做成一個(gè)圓柱體，并將兩端連接起來形成一個(gè)甜甜圈。這就是問題所在。

此外，宇宙可能有很多種彎曲的方式，但是我們生活在一個(gè)平坦的區(qū)域。這是一種非常特別的情況，我們用“暴漲”理論來解釋。暴漲就是宇宙在很早期的時(shí)候在短時(shí)間內(nèi)迅速膨脹，解釋了我們空間中所有的扭結(jié)（kinks）和曲率（curvature）。暴漲階段之后，宇宙變成了我們今天看到的樣子。但是暴漲可能不止對(duì)我們的宇宙有影響,也許它也發(fā)生在別的地方,而且正在發(fā)生。這會(huì)使得整個(gè)宇宙有多大，甚至是多重宇宙有多大？在我看來，它開辟了某種可能性，無限的宇宙比有限的宇宙更容易被想象。

Sam Baron （澳大利亞天主教大學(xué)副教授，科學(xué)哲學(xué)家 ）：不是

有一個(gè)約定俗成的觀點(diǎn)就是假設(shè)空間是無限的，但是我認(rèn)為這是錯(cuò)誤的。它大概這樣表述：如果宇宙是有限的，那么它一定會(huì)有邊界。但是想象一下，你駕駛宇宙飛船飛向遙遠(yuǎn)的宇宙深處，結(jié)果你發(fā)現(xiàn)了宇宙的邊界，那簡(jiǎn)直是不可思議的——邊界會(huì)是什么樣子？因此，宇宙必須永遠(yuǎn)延伸下去。

但是還存在別的方式可以讓空間是有限的。它可能是一個(gè)環(huán)面，空間上有限但是沒有邊界，就像一個(gè)宇宙甜甜圈。如果宇宙是甜甜圈形狀的，那么要有一個(gè)非?？茖W(xué)的測(cè)試來檢驗(yàn)宇宙是否是有限的。

假設(shè)你將一束光瞄準(zhǔn)非常遠(yuǎn)的反射面。如果反射面的表面不平整，這束光將會(huì)被反射到多個(gè)方向。如果宇宙是甜甜圈形狀的，反射光線將會(huì)隨著宇宙的形狀逐漸彎曲，最終會(huì)繞回來并相交（如下圖所示）。這種情況只發(fā)生在宇宙有限的條件下。在無限的宇宙中，光線將會(huì)無限傳播下去。

現(xiàn)在假設(shè)你站在光線相交的地方。你轉(zhuǎn)身看去，看到了那個(gè)反射光線的物體；如果你轉(zhuǎn)向另一側(cè)，你還是看到了同一個(gè)物體，此時(shí)光線來自不同的角度。如果反射物是一顆遙遠(yuǎn)的行星，你因此可以看到同一顆行星兩次。科學(xué)家們已經(jīng)開始在大爆炸留下的昏暗光芒中尋找這種靜廳效應(yīng)（hall of mirros effect）。它或許可以證明宇宙的大小和形狀。雖然還沒有發(fā)現(xiàn)任何確鑿的結(jié)論，但是人類不斷探索，誰知道又我們可以揭示什么呢？

編輯切換為居中

一個(gè)檢驗(yàn)空間是否有限的測(cè)試：如果我們從一個(gè)物體反射光，兩次看到反射物；那么我們生活的空間可能是有限的和彎曲的！

編輯

Kevin Orrman-Rossiter （墨爾本大學(xué)科學(xué)史與科學(xué)哲學(xué)博士研究生）：不是

說到“無限”，我們通常指的是無邊界或者無窮盡的事物。我的觀點(diǎn)是宇宙是有限的。為了論證這一點(diǎn)，要先暫時(shí)假設(shè)宇宙是無限的。一個(gè)很簡(jiǎn)單的例子，我乘坐宇宙飛船向任意方向出發(fā)，永遠(yuǎn)不會(huì)到達(dá)邊界。但是這個(gè)實(shí)驗(yàn)就存在一個(gè)問題：我可能需要飛行無限長(zhǎng)的時(shí)間來確?！霸龠h(yuǎn)一點(diǎn)”就沒有邊界了，而以什么樣的速度行駛并不重要。為了證明空宇宙是無限的假設(shè)，我的航程需要是無限的。顯然，目前沒有多少機(jī)構(gòu)來會(huì)來資助這樣的實(shí)驗(yàn)。

這表明，為了論證宇宙是無限的，我們必須通過觀測(cè)而不是直接的實(shí)驗(yàn)。在上個(gè)世紀(jì)，我們通過觀測(cè)對(duì)宇宙有了很多的了解。我們知道，宇宙起源于大概138億年前。從觀測(cè)中，我們也知道宇宙正在膨脹。我們已經(jīng)探測(cè)到了微波背景輻射——被認(rèn)為是大爆炸時(shí)期的殘余輻射。我們今天看到的宇宙是一個(gè)緩慢膨脹的星系網(wǎng)。

宇宙學(xué)中的一個(gè)關(guān)鍵問題就是這種膨脹是否會(huì)繼續(xù)，是否會(huì)改變速度，是否可以逆轉(zhuǎn)?；卮疬@個(gè)問題就需要對(duì)暗物質(zhì)和暗能量的性質(zhì)進(jìn)行了解。

有趣的一點(diǎn)是，不論宇宙的模型如何（這里仍然有非常重要的缺失），目前的宇宙學(xué)思想就是，宇宙會(huì)有一個(gè)終結(jié)，它不會(huì)永遠(yuǎn)存在。宇宙在時(shí)間上的存在是有限的，由此回到我的論點(diǎn)，我建議在某個(gè)階段結(jié)束我們的宇宙航行。

參考資料

1. https://www.space.com/33892-cosmic-microwave-background.html

2. https://www.quantamagazine.org/what-shape-is-the-universe-closed-or-flat-20191104

3. https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2017/10/14/ask-ethan-is-the-universe-finite-or-infinite/?sh=7429ea2d4967

4. https://www.space.com/31465-is-our-universe-just-one-of-many-in-a-multiverse.html

5. https://www.nature.com/articles/news.2008.854

6. https://www.newscientist.com/article/dn4250-tantalising-evidence-hints-universe-is-finite/

7. https://press.princeton.edu/books/hardcover/9780691196022/cosmologys-century

原文鏈接：https://theconversation.com/more-than-70-of-the-universe-is-made-of-dark-energy-the-mysterious-stuff-even-stranger-than-dark-matter-131569