戰(zhàn)國(guó)末期尸佼曾經(jīng)說過：“四方上下曰宇,往古來今曰宙.”“宇”指空間,“宙”指時(shí)間,“宇宙”就是時(shí)間和空間的統(tǒng)一，開始在古人的眼中，地球是一塊平坦的、四方的土地，天空好比一個(gè)圓形的屋頂，覆蓋著整個(gè)地球，即“天圓如張蓋，地方如棋局?！边@就是我們?nèi)粘Ｋf的“天圓地方”。即“蓋天說”，后來又出現(xiàn)“渾天說”，其認(rèn)為天上的恒星都布于一個(gè)“天球”之上，而日月星辰都附著于天球之上，不停的運(yùn)轉(zhuǎn)著。從這點(diǎn)來說，無疑與現(xiàn)代球體天文學(xué)相近。

而隨著科技的發(fā)展，人們對(duì)于宇宙的認(rèn)識(shí)也在不斷加深，借助探測(cè)儀器，科學(xué)家開始去探索宇宙的形狀，那么宇宙究竟是一個(gè)什么樣的形狀呢，是否有邊界呢？關(guān)于宇宙形狀的三種可能性

在以前，阿里斯塔克斯、亞里士多德及托勒密都曾提出過幾個(gè)不同的天體學(xué)理論，但是最后都被推翻。在對(duì)宇宙認(rèn)識(shí)的不斷加深之中，奧伯斯提出了著名的“奧伯斯佯謬”：如果宇宙是無限的，并且恒星的數(shù)量也是無限的，而且是均勻分布的，那么黑夜則不復(fù)存在，因?yàn)槟阆蛉魏我粋€(gè)方向望去，總能看到一個(gè)恒星。這個(gè)問題也引來愛因斯坦的疑惑：宇宙究竟是無限伸展的？還是有限封閉的？

1917年，愛因斯坦向普魯士科學(xué)院提交了一篇題為《廣義相對(duì)論下的宇宙學(xué)思考》的論文，愛因斯坦通過求解廣義相對(duì)論中的核心方程——愛因斯坦場(chǎng)方程，引入了宇宙常數(shù)項(xiàng)（Λ），建立了一個(gè)“靜態(tài)、有限、無界”的宇宙模型：

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?引入宇宙常數(shù)前的愛因斯坦場(chǎng)方程

引入宇宙常數(shù)后的愛因斯坦場(chǎng)方程

方程的左邊被稱為愛因斯坦張量，描述了時(shí)空的幾何，比如在不同的地方時(shí)空的彎曲是如何變化的。方程的右邊我們看到的是一些熟悉的常數(shù)（比如萬有引力常數(shù)G和光速c ）乘以所謂的應(yīng)力-能量張量，它包含了在時(shí)空中的東西（比如物質(zhì)、能量和壓力）的信息。

其中“靜態(tài)”是從大尺度來考察，宇宙空間中的物質(zhì)基本上是靜止不動(dòng)的；而“有限無界”是指宇宙空間是三維的，它的大小有限，根據(jù)廣義相對(duì)論，物質(zhì)的存在使得時(shí)空彎曲。在巨大質(zhì)量的天體附近，光線不“走”直線，光線在這個(gè)空間中沿著彎曲路徑傳播，始終不會(huì)有它的終點(diǎn)，即這個(gè)空間沒有邊界。

愛因斯坦的宇宙學(xué)原理認(rèn)為宇宙是均勻和各向同性的。他構(gòu)造了一個(gè)有限無邊的宇宙靜態(tài)模型，認(rèn)為宇宙可能是一個(gè)有限封閉的三維球面。這篇論文的發(fā)表標(biāo)志著現(xiàn)代宇宙學(xué)的誕生。

在愛因斯坦將宇宙學(xué)原理應(yīng)用到宇宙學(xué)研究之后，宇宙的形狀就受到了嚴(yán)格的限制。宇宙學(xué)原理要求宇宙空間每一點(diǎn)的地位都是平等的，所以宇宙空間不可能有很奇怪的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)——舉一個(gè)反例，宇宙不可能長(zhǎng)成自行車內(nèi)胎這樣，因?yàn)閮?nèi)胎外側(cè)的點(diǎn)與內(nèi)側(cè)的點(diǎn)地位顯然不一樣。

后來，1922年蘇聯(lián)科學(xué)家弗里德曼重新求解了愛因斯坦的引力方程，認(rèn)為愛因斯坦引入的“宇宙常數(shù)項(xiàng)”完全沒有必要，而一旦去掉了宇宙學(xué)常數(shù)，那就是不要假設(shè)宇宙是靜止的！

弗里德曼認(rèn)為正如我們所觀測(cè)到的，宇宙中充滿了物質(zhì)和輻射，并且是會(huì)彎曲的。他進(jìn)一步假設(shè)，宇宙大致是各向同性（每個(gè)方向看起來都一樣）和均勻（宇宙各處的特性都一樣）的。

基于這些，弗里德曼從廣義相對(duì)論的核心方程——愛因斯坦場(chǎng)方程中推導(dǎo)出了第一弗里德曼方程，從而對(duì)愛因斯坦提出的宇宙靜態(tài)模型進(jìn)行了修正。

方程的另一邊包含了所有的物質(zhì)、輻射和其它任何組成宇宙的能量形式。方程中也包含了空間固有的曲率，取決于宇宙是閉合的（正曲率）、開放的（負(fù)曲率），或平坦的（零曲率）。方程中也加入了“Λ”項(xiàng)，代表的正是宇宙學(xué)常數(shù)，它可以是一種能量的形式或者空間固有的性質(zhì)。（在哈勃發(fā)現(xiàn)宇宙在膨脹后，愛因斯坦認(rèn)為加入宇宙學(xué)常數(shù)是自己一生中犯過最大的錯(cuò)誤。但自上個(gè)世紀(jì)九十年代天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)暗能量后，人們才意識(shí)到宇宙學(xué)常數(shù)的重要性可能一直被低估了。）

這個(gè)方程告訴我們，宇宙并不靜止，而是膨脹或者收縮（取決于宇宙的膨脹率和成分）。更重要的是，它們還能告訴我們宇宙在過去或者將來將如何隨時(shí)間而演化。并建立了“弗里德曼宇宙模型”，認(rèn)為宇宙的演化與宇宙物質(zhì)的平均密度和臨界密度有關(guān)，1929年，哈勃發(fā)現(xiàn)星系紅移，觀測(cè)到宇宙正在膨脹，從而證實(shí)了第一弗里德曼方程的正確性！

根據(jù)弗里德曼的膨脹曲線宇宙的形狀會(huì)存在著三種可能性，即宇宙曲率分別為零、正和負(fù)時(shí)，宇宙所呈現(xiàn)的三種不同形態(tài)：如果宇宙空間具有正曲率，那么它是一個(gè)封閉的三維球面，也就是有邊界；如果宇宙空間的曲率是零，那么它是一個(gè)無邊無際的平坦三維空間，也就是平直的三維歐氏幾何空間；如果宇宙空間具有負(fù)曲率，那么它同樣沒有邊際，是一個(gè)彎曲的三維雙曲面，像馬鞍一樣。

而如何測(cè)量宇宙的形狀，一共有兩種方法，其一是用幾何的方法測(cè)量，其二是用密度的方法去界定。而之前大多數(shù)科學(xué)家相信“平坦宇宙”的概念，也就是宇宙空間的曲率是零，也就是平直的三維歐氏幾何空間。在平坦宇宙中，宇宙向各個(gè)方向延伸，沒有邊界，在整個(gè)宇宙范圍內(nèi)光是沿直線傳播的，不圍繞自身循環(huán)。

如果你沒有辦法理解的話，你就簡(jiǎn)單地把它理解為宇宙就是一張床單，它并沒有邊界。宇宙從邊緣無限擴(kuò)大，一直延伸到143億光年，這是可見宇宙的最大尺度，至于143億光年之外究竟是個(gè)什么樣子，由于目前人類尚未掌握觀測(cè)的方法，143億光年之外的宇宙我們尚不清楚。但是最新的研究成果卻表示并不是這樣。最新研究，宇宙可能是個(gè)球，有邊界。

平坦宇宙的主要證據(jù)來源于宇宙微波背景（CMB）數(shù)據(jù)，由于科學(xué)家發(fā)現(xiàn)宇宙大爆炸之后至今，宇宙微波輻射基本上呈均勻狀態(tài)分布在宇宙空間，因此，大多數(shù)科學(xué)家認(rèn)為宇宙從空間模型上來說是平坦的。但是已經(jīng)采集到的宇宙微波背景數(shù)據(jù)中也存在一些異常的現(xiàn)象，平坦宇宙無法解釋這種異常。

比如，科學(xué)家已經(jīng)注意到：一個(gè)用來發(fā)現(xiàn)遙遠(yuǎn)天體的“引力透鏡”理論中，重力對(duì)空間的影響要比預(yù)期的大得多，這超出了現(xiàn)代物理學(xué)的解釋范圍，而彎曲宇宙的模型則能夠?qū)@個(gè)現(xiàn)象做出合理解釋。

英國(guó)曼徹斯特大學(xué)研究人員埃萊奧諾拉 瓦倫蒂諾等人通過對(duì)普朗克衛(wèi)星的觀測(cè)數(shù)據(jù)分析指出，宇宙空間可能不像已知的那樣平坦，而是一個(gè)封閉的三維球面，就像一個(gè)巨大的不斷膨脹的氣球一樣彎曲，只不過由于是在宇宙的尺度上，因此，這個(gè)彎曲的程度不像人們思維中認(rèn)為的那樣明顯。

研究人員檢查了來自宇宙微波背景的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)是“大爆炸”的微弱回聲，從而得出結(jié)論：宇宙不是平的。他們指出，如果你沿直線在太空飛行，最終你會(huì)回到起點(diǎn)，只不過這個(gè)彎曲的程度不像人們思維中認(rèn)為的那樣明顯，這個(gè)想法被稱為“封閉宇宙”?，F(xiàn)在，研究人員在測(cè)量宇宙微波背景時(shí)得到了異常的數(shù)據(jù)資料，為封閉宇宙觀點(diǎn)提供了堅(jiān)實(shí)的（但不是絕對(duì)的）證據(jù)。

封閉宇宙則更像一個(gè)膨脹的氣球。無論哪種情況，整個(gè)宇宙都在擴(kuò)張，當(dāng)氣球膨脹時(shí)，其表面的每個(gè)點(diǎn)也離其他點(diǎn)越來越遠(yuǎn)，但由于氣球的曲率，使這種遠(yuǎn)離運(yùn)動(dòng)的幾何學(xué)更加復(fù)雜。這意味著，如果有兩個(gè)光子，當(dāng)它們?cè)谝粋€(gè)封閉的宇宙中平行移動(dòng)時(shí)，它們（最終）會(huì)相遇，但是在以前的“平坦宇宙”中，光子在不受干擾的情況下，會(huì)一直沿著平行方向運(yùn)動(dòng)，而不會(huì)相互作用。

有些科學(xué)家認(rèn)為，如果宇宙從形狀上來說是彎曲的，那么，這個(gè)彎曲的程度也是極其有限的，而且對(duì)于我們的生活、太陽(yáng)系乃至銀河系的運(yùn)動(dòng)來說，影響極其有限。但是彎曲的宇宙模型則會(huì)產(chǎn)生一個(gè)意想不到的結(jié)果：如果你試圖超越我們的銀河系，穿過無邊無際的黑暗空間，那么，你最終可能會(huì)回到當(dāng)初離開的地方，這就是說，宇宙的模型，實(shí)際上是封閉的，而不是此前認(rèn)為的無限平坦。

但是，如果宇宙是彎曲的，那將會(huì)帶來許多問題，如重子聲振蕩暗能量（加速宇宙膨脹的未知能量）測(cè)量的數(shù)據(jù)與封閉宇宙模型不一致。所以宇宙的形狀究竟是什么樣的，這一切或許只有時(shí)間才能給我們答案吧！

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