宇宙有限還是無限？有沒有盡頭？到了盡頭會怎樣？科學告訴你答案

2020-05-16 星宇飄零2099

宇宙有沒有盡頭這個問題我猜很多人都想過，反正我有想過，小的時候覺得宇宙挺不可思議的，它是無窮無盡的嗎？在我的小腦袋裡是理解不了無窮無儘是一種怎樣的狀態的……那它是有盡頭的嗎？那假如我走到宇宙的盡頭會怎麼樣？會看到什麼？……這個問題那時的我怎麼想也想不通……

現在看來，宇宙當然是沒有盡頭的，萬一有盡頭，走到盡頭怎麼辦？撞牆嗎？還是一腳踩空？是不是想想都覺得搞笑……

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平直空間的疑難

在一百年多年以前，人們一直都認為空間是平直的，但正經人都不會認為他是有盡頭的，不然就會發生上述的古怪事情，比如走到盡頭會被撞得人仰馬翻，又或者一腳踩空掉溝裡去……問題是這牆有多高？爬過去又是什麼？這溝有多深？掉到底又會怎樣？

很顯然都無法回答，要麼就是無限高，無限深，但既然都是無限，那要它何用？還不如直接說宇宙是無限的呢……沒錯，那時的正經人就是這麼想，宇宙就是無限的，這可以避免很多問題。

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解決無限疑難的最佳答案——有限無邊的彎曲空間

直到105年前，有個叫愛因斯坦的不良青年……嗯，好像已經不太青年了……他用一套叫做廣義相對論的科學理論告訴我們，空間是彎的，你們都是彎的……於是大家都彎了……

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但是一個彎了的宇宙就不可能是無限的，因為它最終會首尾相接形成一個閉合的空間。因此，愛因斯坦根據廣義相對論提出一個全新的宇宙——超球面宇宙。在超球面宇宙裡，空間是有限的，它由於彎曲使自身在有限的距離上閉合成一個三維的超球面了。那麼這個有限的超球面宇宙有盡頭嗎？同樣沒有。

超球面宇宙既然有限，為何沒有盡頭？原因其實前面已經說了，因為超球面彎曲至首尾相接了，當你出發走到宇宙的盡頭就會發現你其實回到了起點。如果覺得三維超球面不好理解，你試著去掉一個維度變成一個二維球面就很好理解了，你從球面的任意一點沿著二維面（是二維不是三維，剛才已經去掉一維了）向任意一個方向移動一定距離後，就發現你又回到了原點，而你所移動的距離就是三維球體的赤道面的周長。

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愛因斯坦的超球面宇宙模型一次性解決了我小時候兩個想不通的問題：無窮無盡的宇宙是怎麼樣的？有限的宇宙盡頭又是怎麼樣的？

原來宇宙既可以有限，又可以沒有盡頭……我對愛因斯坦的敬佩猶如滔滔江水綿綿不絕……

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時間不高興——超球面宇宙膨脹了

後來，天文學家哈勃根據星系紅移與距離的關係發現了宇宙正在膨脹（這不是唯一的解釋，但這是最合理的解釋），愛因斯坦所認為的靜態超球面宇宙似乎並不準確，宇宙是動態的，一個動態的宇宙模型無法忽略隨時間的演化。這樣，當宇宙膨脹的速率高於一定的閾值，你沿一個方向就可能永遠走不回原點了，也就是對於一個膨脹中的彎曲三維空間，它很可能並不是閉合的，這樣，一個無限的宇宙又出現了……

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但實際上到目前為止，宇宙是否閉合還沒最終確定，因為這需要對宇宙中的物質密度和宇宙的膨脹速率都作出最精確的測量才能最終確定。目前三種結果都有，按照之前的測量結果顯示宇宙臨界密度很可能剛好等於或小於那個能使宇宙閉合的閾值，那意味著宇宙很可能在大尺度下是開放的（空間平直或負曲率）。但最近又有一項研究結果顯示宇宙很可能是閉合的（正曲率彎曲）。

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有限？無限？

無論如何，當考慮到宇宙是動態的，當把愛因斯坦當初統一進四維時空的第四個維度——時間考慮進來，宇宙就有可能是無限的。但這個時候的無限就比當初那個無邊無際的無限好理解多了，因為它在三維上其實依然是一個超球面，也就是在任意時刻（忽略時間演化），它依然是有限的。但由於光速的限制，我們有一個極限的速度，導致了你可能永遠趕不上宇宙的膨脹，當這個膨脹永遠不可能停下來，那麼這樣的一個有限的超球面就相當於是無限的了。

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現在是不是覺得宇宙沒有盡頭其實並不難理解呢？

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