大片！3分钟，从地球旅行到宇宙的边缘，看尽宇宙之美
这张图描绘了一个假想的环形宇宙，或宇宙的“甜甜圈理论”。事实上，这样的宇宙并不能以这种方式呈现出来，因为甜甜圈有二维的表面，而且环形宇宙不仅在空间中是弯曲的，在时空中也是弯曲的。不过，把宇宙想象成某种“宇宙甜甜圈”会更简单，也更有趣。
来源：bigthink
撰文：Ethan Siegel
翻译：任天
无论望向哪里，我们看到的都是一个充满恒星和星系的宇宙，但这些天体都是独一无二的吗？有没有可能，你在一个方向上看到的一个星系，当你从不同的视角，或者从相反的方向看，也会看到同样的星系？宇宙真的会循环往复吗？如果你沿着直线旅行得足够远，最终会回到起点吗，就像你在地球表面朝任何一个方向走了足够长的时间一样？或者，会不会有什么东西阻止你回到原点？
图中所示的星系都位于本星系群之外，因此它们都不受银河系的引力约束。结果，随着宇宙的膨胀，它们发出的光会向波长更长、更红的方向移动。这些物体不断远离我们，随着膨胀的持续，它们会越来越远。
这是一个值得思考的有趣问题。对大多数人来说，空间和时间的一些特性是难以想象的。在宇宙中，如果一直沿直线旅行的话，似乎可以永远走下去。有什么东西会阻止你？一堵墙？如果是的话，那墙的另一边是什么？
或许听起来很荒谬，但答案是：两种情况皆有可能。你既可以永远旅行下去，但也会有东西阻止你。关键在于如何理解不断膨胀的宇宙，这本身就是最令人难以想象的概念之一。
当我们仰望宇宙的时候，看到的物体并不是它们如今存在的样子。从我们的角度来看，宇宙大爆炸已经发生了138亿年，而我们所看到的一切都比宇宙本身年轻。
我们的宇宙可能有点像一个关于小行星的宇宙三维游戏，你可以从宇宙的这边离开，然后在另一边重新出现。如果宇宙膨胀得足够慢，或者我们的速度足够快，时间足够长，那我们最终会回到起点，没有什么能阻止我们到达设定的目的地。
为什么会这样？
大爆炸同时发生在所有地方，如果我们位于宇宙的其他地方，也会经历同样的138亿年时间。但如果我们从那个位置观察地球，就必须考虑到我们所看到的地球并不是它今天真正的模样。相反，我们看到的是地球当时的样子；当时到达的光从地球发射出来，再被我们接收到。我们看到的是地球的过去。
如果我们在月球上，这些反射光大约就是1.3秒前发出的。如果我们在一颗围绕半人马座α星运行的行星上，那这些光的存在就已经有4.3年了。如果我们在仙女座星系，则这些光应该已经行进了250万年。
当我们从自己的角度观察一个遥远的物体时，同样的原理也在起作用：我们看到的是这些物体在光线到达时的样子。只不过，如果我们将目光越过本星系群的卫星、行星、恒星和星系，向更远的宇宙望去，就会有另一个因素在起作用：光所穿过的空间正在扩大。
20世纪，物理学家发现宇宙正在膨胀，这是人类对宇宙认识的最大变革之一。一个距离我们越远的遥远星系——假设它不受银河系引力的约束——它发出的光的红移量就越大，或者说，它的光会被拉伸至更长的波长。
即使是在一个不断膨胀的宇宙中，只要有足够的时间，遥远天体发出的光终究会被我们看到。不仅光子的波长会因为宇宙的膨胀而被拉长，物质粒子的德布罗意波长也会被拉长。光在宇宙中穿行的时间越长，它的波长因宇宙膨胀而被拉长的程度就越大。
在宇宙中，有三种情况通常会导致红移：
（1）当光源与观察者相对远离彼此时；
（2）当射出的光需要爬出一个巨大的重力势阱时；
（3）当两个物体之间的空间在光的旅程中膨胀时。
尽管前两种效应在短距离内可能很显著，但在最大的宇宙尺度上，只有空间的膨胀才具有重要的意义。
三角形的内角和取决于空间曲率的大小。在正曲率（上）、负曲率（中）或平坦（下）的宇宙中，三角形内角之和分别为＞180°、＜180°或等于180°。尽管很容易描绘一个正曲率的曲面（上）是如何有限并循环的，但非正曲率的曲面也可以是有限的。
宇宙正在膨胀的事实很重要，原因有很多，尤其是从宇宙的视角来看。这一事实让我们可以推断出宇宙历史，以及我们如何从一个更热、更密集、更均匀、更迅速膨胀的状态中诞生的过程。如果我们能测量膨胀速率随时间的变化，或许就能推断出构成宇宙的各种能量类型及其比例。
而且，如果我们能知道宇宙是如何膨胀的，以及宇宙所包含的一切，我们就能预测它在遥远未来会如何膨胀，以及宇宙最终的命运会是什么。
圆环几何结构是空间平面的一个例子，它既没有正曲率也没有负曲率，但在范围上是有限的。如果你所处的空间本质上是环面，那么一直沿直线走的话，你最终就可以回到起点。
那么，这些与之前提到的问题有什么关系？如果你永远沿着直线穿越宇宙，会发生什么？
首先，我们先来考虑另一种可能性：如果你永远沿着直线旅行，穿过一个不会膨胀，静态不变的宇宙，情况会有什么不同？
在静态不变的宇宙中，一切都取决于我们已知的、可以用数学描述的宇宙拓扑结构。爱因斯坦的广义相对论带来的重大变革之一，就是让人们认识到，空间本身并不能简单地用直线构成的的三维网格来描述，因为这种描述是刚性、绝对的。相反，空间本身必然会因物质和能量的存在（或不存在）而弯曲。当存在一个巨大且过度密集的物质和/或能量集合时，就会导致更大的（正的）空间曲率；而当物质和能量低于平均水平甚至是负的时，就会导致负曲率。
最全面的宇宙微波背景图。宇宙微波背景辐射是宇宙中可观测到的最古老的光。这张图向我们展示了大爆炸发生38万年后宇宙快照，其中没有重复的结构，也没有可以相互识别的区域。这一事实限制了任何重复结构的大小，也限制了宇宙的有限属性，使之大于现代宇宙视界的大小。
在广义相对论中，我们所居住的时空也可以有一个全局结构。你的时空可以是正曲率的，就像一个（高维）球体；它也可以是负曲率的，就像一个（高维）马鞍；它还可以是平坦的，在最大的整体尺度上既没有正曲率也没有负曲率。
尽管我们很容易看出正曲率空间是如何有限和封闭的，但要意识到平坦空间也可以有限和封闭，就不那么直观了，但这种情况确实是可能的。要理解这一点，只需简单地想象一个长而直的圆柱体，然后把这个圆柱体弯曲成一个甜甜圈状，直到两端连接起来。这种形状被称为圆环体，它在空间上是平坦的，同时也是有限的和封闭的。
如果宇宙没有膨胀，你只能想象以下两种可能性。
（1）宇宙可能是有限的和封闭的，无论它的曲率如何。如果你在一个方向上走得足够远，或者说在一个方向上走得足够久，你最终会回到起点。即使空间本身在拓扑结构上很奇怪，就像一条莫比乌斯带或一个克莱因瓶，你也可以继续前进，并最终回到旅程开始的地方。
（2）宇宙可能是无限、开放的，与它的曲率无关。无论你朝哪个方向走了多远，花了多长时间，你总会发现自己遇到了以前从未遇到过的“新空间”。没有什么能阻止你，也没有什么能使你回到出发的地方，除非你掉转头往回走。
宇宙的预期命运（前三张插图）都对应着一个物质和能量共同对抗初始膨胀速率的宇宙。在我们观测到的宇宙中，宇宙加速是由某种类型的暗能量引起的，这种暗能量至今仍未得到解释。如果宇宙膨胀速率继续下降，就像前三种情况一样，那你最终可以赶上任何东西。但如果你所处的宇宙包含暗能量，情况就不再是这样了。
当我们以各种已知的方式观测宇宙——包括其中的各种星系、各种气体和等离子体、恒星辐射、星际物质分子，甚至是宇宙大爆炸本身——我们都在寻找重复的模式，希望能找到证据，证明宇宙在我们可以观察到的尺度上可能是有限的。
事实上，我们唯一一次看到多幅同一天文源图像的时候，就是在空间某处有一个巨大的引力质量时，来自背景源的光被扭曲成多个不同的路径，而这些路径都可以成功地到达我们的眼睛。尽管这种现象——被称为“强引力透镜”——在光学和科学上都有非同寻常的意义，但它只局限于天空中非常狭窄、局部的角度和区域。
然而，我们还没有这样的好运气。事实上，我们已经能够满怀自信的说，整个宇宙中并不存在重复的结构，没有哪个物体会与我们在另一个方向观察到的物体相同；甚至在宇宙“最初的光”当中，我们也没有在两个不同区域发现完全相同的模式。
但现在，让我们来思考一个既重要而又令人不安的现实：宇宙不是静态的，而是在膨胀的。更确切地说，宇宙不仅仅在膨胀，因为其中也充满了物质和能量，它在膨胀时也有引力的作用。我们可以想象，至少在原则上，这意味着我们的遥远未来存在某些可能性。
（1）引力效应可能比目前的宇宙膨胀更强大，这意味着，宇宙会膨胀一段时间，达到最大尺度，然后逆转方向，开始收缩，甚至可能以“大坍缩”结束，就像一开始的“大爆炸”一样；
（2）引力效应可能没有目前的宇宙膨胀强大，这意味着宇宙将永远膨胀，尽管膨胀速度可能会继续放缓；
（3）引力效应与初始膨胀可以完美地平衡彼此，这意味着，膨胀速率将以渐近线的形式接近于0，但永远不会逆转或重新坍缩。
在20世纪的大部分时间里，这就是宇宙学家们考虑的三种主要可能性。对宇宙膨胀速率和膨胀历史的探索，就是为了更深入地区分这些选项。
可见宇宙的大小（黄色），以及我们所能达到的范围（洋红色）。可见宇宙的极限是461亿光年，因为这是一个发出光的物体在远离我们138亿年之后到达今天我们所处位置的极限。然而，在大约180亿光年之外，即使我们以光速前往一个星系，也永远无法追上它。
如果第一个选项描述了我们所处宇宙的现实，那你就不可能永远走直线，因为宇宙只存在有限的时间，你最终会撞到一堵墙，一堵时间的墙。你可以一直沿着直线旅行，在宇宙再次完全坍缩之前回到起点，但到时你或许只能享受一小段时间。
如果第二个或第三个选项描述了宇宙的现实，那你最终将能够“追上”任何存在于太空中的星系或物体，甚至是那些正在以极快的速度远离我们的星系或物体。随着时间的推移，膨胀率会持续下降，渐渐地，越来越多的遥远星系会第一次出现在我们的视野中，并最终被一个在足够长时间内沿同一条直线移动的太空旅行者超越。如果宇宙是无限的，那我们最终可以追上任何东西；如果宇宙是有限的，我们最终会回到自己的起点。
然而，更重要的问题是，这些场景都不足以描述我们的宇宙实际上是如何膨胀的。我们其实生活在一个由暗能量主导的宇宙中，这是空间结构中固有的一种能量，它总是保持恒定的能量密度。即使空间本身在膨胀，暗能量的密度也永远不会下降，因此，膨胀速率永远是正的和有限的。这极大地改变了我们对宇宙命运的预期，这意味着，对于任何一个距离很近，但不受银河系引力约束的星系，一旦它扩展到一定距离之外，我们就永远无法追上它。换言之，这个星系将从我们“触手可及”的地方消失，无论我们朝它的方向旅行了多长时间，无论我们能达到的速度有多接近光速。
很遗憾，这就是我们目前所能获得的答案。沿一条直线，你可以在时间上永远旅行下去，但只能到达可观测宇宙的很小一部分。任何超出当前宇宙视界的事物——超出我们目前所能看到的极限——都永远超出了我们的观测能力范围。事实上，我们今天已经无法观测到任何比180亿光年更远的物体了。换句话说，在我们所能观测到的所有物体中，只有大约6%的物体是我们可以到达的。每过一秒钟，就会有成千上万颗恒星被膨胀的宇宙推过这个临界边界，导致它们从“可及”过渡到“不可及”，即使我们现在就以光速出发追赶它们。
尽管有各种解释宇宙形状、曲率和拓扑结构的可能性，但即使永远沿直线旅行，你也永远不会回到起点。综合事实如下：
·宇宙正在膨胀；
·暗能量导致膨胀加速；
·现在距离宇宙大爆炸已经过去了138亿年了；
·宇宙不会重复，在小于~460亿光年的尺度上也不是有限的，这使我们永远无法像环绕地球那样，环绕宇宙航行。在某种非常宏大的尺度上，宇宙也许在本质上确实是有限的。但即使如此，我们也不可能知道。尽管只要我们愿意，就可以一直在宇宙空间中以尽可能快的速度旅行；我们可以想象没有尽头，但大部分的宇宙已经永远地远离我们，而且越来越远。一个宇宙视界限制了我们在不断膨胀的宇宙中旅行的距离，就目前的我们而言，超过180亿光年远的物体实际上已经消失不见了。