宇宙是否有尽头？

宇宙如果有尽头，那么尽头之外又是什么？如果宇宙没有尽头，那怎么符合空间定则？

“宇宙是否有尽头，时间是否有长短……”，来自影视台词中的问题正是目前科学家所困惑的。宇宙是无限的吗？我们现在依然无法给出确切的答案。一些物理学家提出了宇宙的几何形状是闭合的甜甜圈，以此认为宇宙是有限的。而另一些学者相信快速暴涨的概念，我们只能在可观测宇宙中了解物质与存在的概念。本文五位学者，包括天文学家、科学哲学家、科学史家对宇宙是否是无限的给出了自己想法。

撰文丨Noor Gillani
编译丨田芳

我们已经知道宇宙在膨胀，但是近些年来研究发现膨胀的速度远超过我们的预期。

尽管望远镜和卫星技术有了很大的突破，但是人们认为宇宙中仍有很多事物远在我们的视线之外，超出了所谓的可观测宇宙（observable universe)。

这也意味着我们还不确定整个宇宙的形状——究竟它是一个闭合的宇宙“甜甜圈（doughnut）”，还是像一张无穷大的纸一样延伸的平面，或者是一个不断膨胀的巨大球体？




宇宙学家经常提到没有边缘和顶点的甜甜圈——类环结构。环状是很重要的数学结构。

科学家想要了解空间的尽头以及那里可能的样子。他们是如何看待宇宙的命运，它会永远膨胀吗？我们采访了五位科学家，似乎还没有确定的的结论。

以下是他们回答。


Anna Moore（澳大利亚国立大学空间研究所教授，天文学家）：可能


简而言之是，“我们不知道宇宙是否有限”。我们知道可观测宇宙——我们可以明显看见和测量的部分——起源于138亿年前的大爆炸。所以我们知道宇宙的年龄是有限的，至少可以从大爆炸时期算起。但是宇宙现在变得越来越大。从大爆炸时期以来，它就开始从各个方向膨胀，现在仍在继续（近来膨胀的速度越来越快）。

大爆炸的残余辐射，被称作“宇宙微波背景辐射（cosmic microwave background）”，代表了更小、更炽热、更致密的宇宙的最早期图像。我们可以从早期的图像来理解最大尺度的宇宙的形状（或者几何形状）。知道这点对于我们了解宇宙是无限的还是有限的非常重要。

卫星的探测结果表明，宇宙具有平坦的几何形状。在平坦的宇宙中，两束并排射入空间的光束将永远保持平行，不会相交也不会远离。这样来看，我们仍然可以将圆筒或者圆环（甜甜圈）形状的宇宙视为“平坦的”。

目前的探测技术还不够精确，无法让我们知道宇宙的平面几何结构是否可以由一张纸、一个圆筒、环面还是任何其他允许两束光平行通过的结构来表示。一个无限的宇宙可能是像一张纸一样的平坦几何形状，将永远延伸下去并包含一切的可能性，比如我们自己的无穷版本。另一方面来讲，一个甜甜圈形状的宇宙将必须是有限的，因为它是闭合的。但是目前为止，我们仍然不知道宇宙的形状，也不知道它的大小。


Sara Webb （斯威本科技大学天体物理学博士生）：是的


我相信宇宙是无限的。我们知道宇宙起源于大爆炸。从观测来看，我们还不知道在哪里起源，但大爆炸发生了。不论你在宇宙的哪里（在银河系或者很遥远的地方），宇宙以你为中心向各个方膨胀。现在我们计算出宇宙有大约138亿年的历史了，意味着已经膨胀了很多。所以从逻辑上来讲，我们可以估计宇宙的半径为138亿光年，对吗？

但是可观测宇宙的半径事实上有460亿光年，这意味着我们可以看到的第一束光（大爆炸后38万年）来自460亿光年之外的距离。这是由于所谓的“快速暴涨（rapid inflation）”。然而，我们没有理由认为可观测宇宙的边缘就是实际宇宙的边缘。

我们倾向于事物具有三维形状，如球体、立方体或者锥体等。我们可以把宇宙想象成一个无限膨胀的球体。或者它可能以一种使自己成为闭合系统（甜甜圈）的方式弯曲，在这个系统里你可以沿着直线航行足够远，而最终会返回到你出发的地方——宇宙是有限的。

但是我倾向于另外一种可能性，即大爆炸之后的暴涨。有一个理论认为，暴涨实际上是永恒的暴涨，这意味着它总是发生在这里或者那里，使得宇宙是无限的。这就要深入研究量子涨落甚至多重宇宙那样难以想象的理论。作为科幻爱好者，我怎么可能不希望它是真的呢？


Tanya Hill  （墨尔本大学名誉研究员，维多利亚博物馆高级策展人，天文学家）：是的


我们能看到的宇宙是有限的。可观测宇宙是有限的，它不会永远存在。它在我们周围延伸至460亿光年（虽然我们的宇宙有138亿年的历史，随着宇宙正在膨胀，可观测宇宙的范围更广）。

可观测宇宙是以我们为中心的。遥远星系中的外星人也可以拥有以它们自己为中心的可观测宇宙。虽然这些不同中心的可观测宇宙可能会有一些重叠，但是也不可避免地会存在一些我们所看不到的区域。因此，我们不可能说宇宙是否有限，因为我们不能完整地看到它。相反，我们通过探索宇宙的形状来解决这个问题。尽管我们不知道整个宇宙的形状，但是我们知道以我们为中心的宇宙部分是平坦的。这意味着在巡航控制下平行飞行的两枚火箭将始终保持平行。因为空间不会弯曲，火箭也永远不会相遇或者远离彼此。

一个平坦的宇宙可能是无限的，比如一张永远延伸的二维纸张。但它也有可能是有限的，比如用一张纸做成一个圆柱体，并将两端连接起来形成一个甜甜圈。这就是问题所在。

此外，宇宙可能有很多种弯曲的方式，但是我们生活在一个平坦的区域。这是一种非常特别的情况，我们用“暴涨”理论来解释。暴涨就是宇宙在很早期的时候在短时间内迅速膨胀，解释了我们空间中所有的扭结（kinks）和曲率（curvature）。暴涨阶段之后，宇宙变成了我们今天看到的样子。但是暴涨可能不止对我们的宇宙有影响,也许它也发生在别的地方,而且正在发生。这会使得整个宇宙有多大，甚至是多重宇宙有多大？在我看来，它开辟了某种可能性，无限的宇宙比有限的宇宙更容易被想象。


Sam Baron （澳大利亚天主教大学副教授，科学哲学家 ）：不是


有一个约定俗成的观点就是假设空间是无限的，但是我认为这是错误的。它大概这样表述：如果宇宙是有限的，那么它一定会有边界。但是想象一下，你驾驶宇宙飞船飞向遥远的宇宙深处，结果你发现了宇宙的边界，那简直是不可思议的——边界会是什么样子？因此，宇宙必须永远延伸下去。

但是还存在别的方式可以让空间是有限的。它可能是一个环面，空间上有限但是没有边界，就像一个宇宙甜甜圈。如果宇宙是甜甜圈形状的，那么要有一个非常科学的测试来检验宇宙是否是有限的。

假设你将一束光瞄准非常远的反射面。如果反射面的表面不平整，这束光将会被反射到多个方向。如果宇宙是甜甜圈形状的，反射光线将会随着宇宙的形状逐渐弯曲，最终会绕回来并相交（如下图所示）。这种情况只发生在宇宙有限的条件下。在无限的宇宙中，光线将会无限传播下去。

现在假设你站在光线相交的地方。你转身看去，看到了那个反射光线的物体；如果你转向另一侧，你还是看到了同一个物体，此时光线来自不同的角度。如果反射物是一颗遥远的行星，你因此可以看到同一颗行星两次。科学家们已经开始在大爆炸留下的昏暗光芒中寻找这种静厅效应（hall of mirros effect）。它或许可以证明宇宙的大小和形状。虽然还没有发现任何确凿的结论，但是人类不断探索，谁知道又我们可以揭示什么呢？


一个检验空间是否有限的测试：如果我们从一个物体反射光，两次看到反射物；那么我们生活的空间可能是有限的和弯曲的！




Kevin Orrman-Rossiter （墨尔本大学科学史与科学哲学博士研究生）：不是

说到“无限”，我们通常指的是无边界或者无穷尽的事物。我的观点是宇宙是有限的。为了论证这一点，要先暂时假设宇宙是无限的。一个很简单的例子，我乘坐宇宙飞船向任意方向出发，永远不会到达边界。但是这个实验就存在一个问题：我可能需要飞行无限长的时间来确保“再远一点”就没有边界了，而以什么样的速度行驶并不重要。为了证明空宇宙是无限的假设，我的航程需要是无限的。显然，目前没有多少机构来会来资助这样的实验。

这表明，为了论证宇宙是无限的，我们必须通过观测而不是直接的实验。在上个世纪，我们通过观测对宇宙有了很多的了解。我们知道，宇宙起源于大概138亿年前。从观测中，我们也知道宇宙正在膨胀。我们已经探测到了微波背景辐射——被认为是大爆炸时期的残余辐射。我们今天看到的宇宙是一个缓慢膨胀的星系网。

宇宙学中的一个关键问题就是这种膨胀是否会继续，是否会改变速度，是否可以逆转。回答这个问题就需要对暗物质和暗能量的性质进行了解。

有趣的一点是，不论宇宙的模型如何（这里仍然有非常重要的缺失），目前的宇宙学思想就是，宇宙会有一个终结，它不会永远存在。宇宙在时间上的存在是有限的，由此回到我的论点，我建议在某个阶段结束我们的宇宙航行。

参考资料
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

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

宇宙是否有尽头，其实这个问题不难回答。重要的是从这个问题，我们可以延伸到寻求宇宙终极问题的答案：宇宙从哪里来？宇宙最后的命运是什么？

道格拉斯·亚当斯在《银河系漫游指南》中提出了「宇宙，生命和一切的终极问题」。天文物理学的最新进展让我们可以从宇宙这一部分开始回答这个终极问题了，比如宇宙的形状，宇宙的终极命运，宇宙从哪里来等等。不过，你将在这里看到的答案，不会是 42。




图片来自 www.thespectrumofriemannium.com


为了避免偏题，我们还是先来回答问题「宇宙有没有尽头」。这个问题和宇宙的形状是密切相关的。知道了宇宙的形状，是否有尽头的问题也就迎刃而解了。我们就从宇宙的形状开始吧。

1. 宇宙的几何形状

宇宙是一个三维空间。广义相对论告诉我们，由于物质和能量的存在，空间是可以弯曲的。这种空间的弯曲，在牛顿的经典力学体系中称为万有引力。下图用二维平面来类比，表现大质量天体造成的空间弯曲。




图片来自 www.quora.com


空间的曲率可以是正，负或者零（零曲率意味着平坦的空间）。然而，生活在三维空间中的我们很难想象出一个弯曲的三维空间，所以就用二维空间来做一个类比的讨论吧。

二维平面上的几何问题可以用欧几里得创立的平面几何来分析。欧式几何是一个伟大的创举，它以 5 条公设（公理）为基础，以逻辑为工具，建立起了一个结构严密的庞大数学体系，开创了数学研究的公理化方法。然而，正是欧式几何的第五条公设，导致了非欧几何的诞生。第五公设可以表述为：

給定一条直线，通过此直线外的任何一點， 有且只有一条直线與之平行。

从第五公设可以推导出，三角形内角和为 180度（下图中的最下面的平面）。 后世的数学家发现，如果放弃欧式几何的第五公设，代之以新的第五公设，可以得到完全不同但是同样逻辑严密的新的几何体系。比如：

給定一条直线，通过此直线外的任何一點， 有至少两条直线与之平行。

以这条公设为基础，可以推导出双曲面几何（下图中的第二个曲面）。在这个体系中，三角形内角和小于 180 度。

給定一条直线，通过此直线外的任何一點， 没有一条直线与之平行。

以这条公设为基础，可以推导出椭圆几何（下图中的第一个曲面）。在这个体系中，三角形内角和大于 180 度。




图片来自 https://en.wikipedia.org/wiki/Shape_of_the_universe


三维空间中，3 种第五公设同样适用。如果空间是平坦的，则曲率等于 0，三角形内角和等于 180 度；如果空间是弯曲的，而且曲率大于 0，则空间是封闭的，三角形内角和大于 180 度；如果空间曲率小于 0，则空间是开放的，三角形内角和小于 180 度。值得注意的是，平坦和开放的空间都是无限延伸的。只有封闭空间具有有限大小。

现在回到问题上来 - 这三种空间有没有尽头。首先，平坦的空间和曲率小于 0 的开放空间无疑是没有尽头的，它们都是无限大的。那么封闭的空间有没有尽头呢？我们仍然用二维的封闭曲面来分析。上图中的球面是封闭曲面中的一种，它的大小是有限的，然而却没有边界。比如一个人在地球表面朝一个方向走，他不会走到地球的边界，而是会回到原点。同样，我们知道封闭的三维空间虽然大小有限，但是它也是没有边界的。如果我们的宇宙是这样一个有限而无边的有限空间，飞船朝一个方向飞，最后会回到出发的地方。如果我们有一个足够好的望远镜，可以在远方看到自己（从我们身上发出的光环绕宇宙一周又回到了原点）。

到这里，这个问题的答案已经出来了。无论宇宙是什么形状，都是没有尽头的。但是，上面的回答提出了新的问题：宇宙是什么形状的？ 这个问题现在还没有确定的答案。多数物理学家接受的观点是：宇宙很可能是平坦的。这一假设有它的理论和观察依据。

2. 平坦的宇宙

2.1 平坦宇宙的观察证据

我们先来看支持平坦宇宙的观察结果。在不同曲率的空间中，三角形内角和是不一样的。为了观察空间的曲率，我们需要在宇宙中找到一个足够大的，跨越整个可观察宇宙的三角形。这样的三角形在宇宙微波背景辐射中可以找到。

微波背景辐射产生于宇宙大爆炸后的 38 万年，当时强烈的辐射弥漫了整个宇宙空间。经过 137 亿年的空间膨胀，这些辐射的能量已经红移成了微波。能够接受微波的天线都可受到它的信号。当你把电视机调到没有频道的频率，你看到的噪声就有一部分是宇宙大爆炸的余晖。下图是 NASA 用高精度的 WMAP 望远镜绘制的完整微波背景辐射图像。




「WMAP image of the CMB anisotropy」。来自维基共享资源 - File:WMAP image of the CMB anisotropy.jpg 根据公有领域授权


图中的不同颜色代表了温度的微小差异（小于千分之一）。物理学家理解这些差异的产生机制，由此可以算出颜色区域的真实大小。根据空间膨胀的速度，可以知道背景辐射的距离。这样，一个跨越可观察宇宙的三角形就可以画出来了。如果宇宙是平的，这样一个区域在从地球观察，视角应该是 1 度；如果宇宙是开放的，视角应该小于 1 度；如果宇宙是封闭的，视角应该大于 1 度。






观察的结果是，在误差范围内，视角非常接近 1 度。这个结果表明，宇宙很可能在大尺度上是平坦的。NASA 发射了新的普朗克望远镜，将会带来更精确的结果。

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全新世（地质时代）已经结束，人类世时代已正式确立。我们现在和未来几年的所作所为将深刻影响未来几千年。
迄今为止，现代人类目前所有的认知正在发生变化，且变化极其快。
这个星球上没有什么是一成不变的，一切都在改变。
地球正在跃进，而我们并不知道跃进后的地球将会变成什么样。
地球的跃进从来不曾停止。
这个星球上的东西在移动，没有事物是静止的！一切都在旋转。
当太阳的燃料开始耗尽时，它并不会消失得无影无踪。
它的核心会坍塌，产生的额外热量会导致外层膨胀。
有一天，太阳已经死了，它的残骸在缓慢冷却。
太阳的命运和所有星星一样。
总有一天，他们最终都会死去，宇宙将陷入永恒的黑夜。
所有恒星最终都会耗尽燃料。
宇宙温度下降。夜空中的星星会一颗接一颗地熄灭。
不会再有新的恒星诞生了。
所以宇宙不会以大爆炸结束，而是以呜咽声结束。
不会以火，而是以冰。
没有剩余的燃料可以燃烧，白矮星的光芒暗淡。
那是来自它熄灭的熔炉的最后一点余热。
从地球现在的位置来看，它只会在晴朗的夜晚产生和满月一样多的光。
白矮星微弱的辉光将在布满死星和黑洞的黑暗空洞中提供唯一的照明。
在某种程度上，这是一个幽灵般的宇宙。是尸体，僵尸之星，将带我们走向未来。
黑矮星将是最后几颗恒星的最终命运。
白矮星变得如此寒冷，以至于它们几乎不再放出热量或光。
黑矮星是黑暗的、致密的、衰变的退化物质球。
数量要比恒星的灰烬还要多一点
它们的组成原子被严重粉碎，以至于黑矮星的密度是我们太阳的一百万倍。
恒星需要很长时间才能演化成黑矮星，我们相信目前宇宙中没有黑矮星。

3分钟看完太阳系的尽头
https://www.zhihu.com/video/1101920200802340864

宇宙是否有尽头，抑或是宇宙是否有大小，这个问题看似是哲学问题，但却是一个科学问题。最高票答案说的是正确的，并且很形象。我补充一点宇宙学相关的具体的细节。
现代宇宙学的研究建立在两条前提之上，
一是宇宙学原理，宇宙学原理指的是在宇观尺度上，空间是均匀各向同性的。二是，爱因斯坦场方程是描述宇宙学的基本方程。
宇宙学原理根据宇宙微波背景辐射已经能够比较精确的证明其正确性了。而第二点则仍有不同的争论。
基于宇宙学原理，可以得到在共动坐标系下，宇宙两点间的距离是由如下式子刻画的

k可以取1，0，或者－1. 称之为RW度规。
基于爱因斯坦场方程，可以得到的演化方程，即弗里德曼方程


根据RW度规，当k=1时，发现它就是一个三维球的度规。
三维球体体积是有限的，所以宇宙有一个总体积。当k是另外两种情况的时候，则宇宙是无限的。
弗里德曼方程的存在可以帮助我们寻找一些判断宇宙是否有限的方法
定义哈勃参数
所以弗里德曼方程等价于
.
因此k的正负，取决于物质密度和后面这一项我们叫做临界密度的大小关系，而k的正负直接决定了宇宙是闭合的还是开放的，闭合的宇宙膨胀一段时间后会重新塌缩。
对于这个观点，小说《三体》中有不错的描写，三体中说由于很多人偷偷的从宇宙中偷走质量导致宇宙从闭合转为开放，失去了重新开始的机会，正好意味着这里的描述。仅在这一点上，小说是合理的。
虽然还无法精确的得到具体的k的值，以至于无法确定宇宙的具体模型，具体的困难在于哈勃参数H的测定有不小的误差，以及因为暗物质等导致宇宙的物质密度还不十分清楚。但是在理论上来说，随着实验技术的进步，这个问题是可以回答的，而不诉诸于哲学。所以本质上它是一个科学问题。
上面解释了宇宙是否有限，题主问的是有尽头，如果把有尽头不理解为有限而是理解为有边界，那么在这三种模型当中，宇宙都是没有边界的。因为球面虽然是有限体积的，但是却没有边。如果三维的不好想，不妨想象一个二维球面。

科学的历史说明了一个现象, 世界总是超出人的想象, 有限的总是人的视野.