自第一個仰望星空的人類出現以來,不斷的探索和認識這個宇宙就成了我們人類文明前進的原動力之一。但是直到今天,我們對宇宙依舊沒有一個清晰明確的概念,在宇宙面前,我們還是一個蹣跚學步的小孩子。尤其是對於宇宙是有限還是無限這個問題上,我們更是爭論了好多年。在很久以前,現代科學還未出現,由於認知與觀測手段的局限,我們認為我們的宇宙是有限的。
後來牛頓發現了萬有引力定律,這個定律告訴我們有限宇宙是不可能存在的。但是很快,牛頓絕對時空觀下的無限宇宙就遭到了質疑。1826年德國天文學家奧伯斯就提出了一個佯謬,假如我們的宇宙是無限的且恆星均勻地遍布在全宇宙,那麼我們的地球夜晚就應該是明亮的。然而我們的地球夜晚卻是一片漆黑。這和奧伯斯佯謬明顯代表著牛頓的理論根本就無法解釋奧伯斯的問題,這也讓人類的宇宙模型建立陷入到了進退兩難的境地。
直到1915年,愛因斯坦發表了跨時代的廣義相對論,這個解釋了引力的理論在1922年被俄國物理學家弗裡德曼應用到了全宇宙,從此,基於廣義相對論所建立的宇宙模型認為,我們的宇宙是均勻和各項同性且有界無邊的四維時空。這裡的均勻和各項同性是指,自宇宙大爆炸以來,站在宇宙的任何一點所看到的宇宙最大尺度和對大尺度結構的觀測結果都是相同的。換句話說,意思就是宇宙在空間上是沒有中心位置的,處處都是中心位置。
愛因斯坦在相對論中將時間維度作為一個特殊的維度加在了三維空間上。同時,他還指出四維宇宙時空是彎曲的空間,這便是有界的來源。
而無邊則是指從宇宙任何一個方向進發最終都會回到原點。現在廣義相對論已經證明,光線並不是永遠都以直線傳播,引力的存在可以扭曲光線的傳播路徑,而時空彎曲則可能正是宇宙無邊的罪魁禍首。
1981年,著名物理學家史蒂芬霍金就在廣義相對論和量子力學的理論基礎上提出了著名的無邊界宇宙模型。這個理論認為我們的宇宙歸根結底就是一個四維的超球體。
以我們的地球為例,地球是一個有限大的天體,然而地球卻沒有邊緣。假設我們一直往南走就會到達南極,而到了南極之後我們就無法繼續往南了,這時候你無論往什麼方向走,都變成了向北走。這就很好地解釋了有界無邊的宇宙模型概念。
然而,到目前為止,我們的宇宙到底是開放平坦的還是閉合的,我們依舊無法確定。但是現有的理論讓科學家們都更加傾向於有界無邊的平坦宇宙。也許這個模型未必是對的,但是這個模型卻是目前最對的,期待理論突破的一天,我們能夠真正地了解我們的宇宙本質。