科普：在宇宙中一直沿直线旅行会发生什么

宇宙是有限的还是无限的它是一直向前发展，还是循环往复如果你坚定不移地朝一个方向旅行下去，会发生什么

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

宇宙是一个巨大，奇妙而又古怪的所在从人类的视角，各个方向上的宇宙范围大约为 460 亿光年无论望向哪里，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，伴随着宇宙的膨胀，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，伴随着膨胀的持续，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:

当光源与观察者相对远离彼此时，

当射出的光需要爬出一个巨大的重力势阱时，

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，负曲率或平坦的宇宙中，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。宇宙是有限的还是无限的？它是一直向前发展，还是循环往复？如果你坚定不移地朝一个方向旅行下去，会发生什么？。

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，就像一个球体，它也可以是负曲率的，就像一个马鞍，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。

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

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

可是，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

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，

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，

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，以及我们所能达到的范围可见宇宙的极限是 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可是，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伴随着时间的推移，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

可是，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

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