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要想知道宇宙有沒有邊緣,或者想走出宇宙!我們首先要了解宇宙的形狀和大小,這就跟我們地球一樣,以前人們認為地球是平地,沿著一個方向走,就會掉入無盡的深淵,這確實能走出地球,但是現在我們還認為能沿著地球的二維平面能走出地球嗎?很顯然,現在我們要往上走,也就是從第三維度的空間飛出去,才能離開地球,宇宙的情況十分類似!因此我們就先從地球的形狀!
地球的形狀
大家都知道關於地球的形狀,在人類歷史上也是頗有爭議,人們容易相信自己的直覺,也就是眼睛看到的東西。就地球的大小來說,我們人類在地球上不管怎麼看,地球看起來都是平的。直到1948年,人類才真正意義上在外太空獲得了地球的曲率合成照片。
那麼以前的人類去不了外太空,除了環球航行這種冒險方法,還有沒有科學的辦法知道地球的形狀?有!如果我們在地球的大尺度上選擇三個點,將其連接起來,就構成了一個三角形。在平面上三角形的內角和是180°,在球面上內角和會大於180°,那麼在凹面上內角和會小於180°。根據角度的測量,我們就能確定出地球到底是球形、平坦還凹面。當然古希臘的埃拉託色尼也能根據太陽光的影子看出地球是圓的。從地球這裡我們可以得到這樣的啟發:
在小尺度上,我們無法分辨二維表面的形狀二維平面在三維空間中可以彎曲成任何形狀要想走出二維平面,我們必須藉助另外的維度,也就是三維空間掌握以上的知識,我們就可以看看宇宙了!
那麼宇宙的形狀呢?
根據廣義相對論的預測,宇宙的形狀也可以是正彎曲、負彎曲或者是平坦的。這取決於宇宙中所包含的能量成分和宇宙的最初膨脹率。但是和地球不同的是,地球的表面是一個二維平面,我們可以在三維空間中俯瞰地球,但我們不能去俯瞰宇宙,這是因為我們就生活在三維空間中,我們沒有另外一個維度,也就是說,我們無法退到四維空間去看宇宙。
但我們也可以效仿測量地球曲率的辦法,去測量宇宙的曲率,當然在宇宙中選三個點畫三角形,由於可觀測宇宙達到了920億光年,這三個點至少得相隔數十億光年吧。這我們是萬萬辦不到。但是我們有其他的方法,那就是測量宇宙微波背景輻射!
我們都知道,宇宙微波背景輻射是來自大爆炸38萬年的光,也是我們能看到最遠、最古老的光線,這些光經歷了138億年的歷史,穿越了920億光年的旅程到達我們地球,根據廣義相對論,空間曲率會改變光線傳播的路徑,因此看下圖,我們可以測量這些光線的形狀。
如果宇宙是封閉的球形,我們測量的光線就應該是上圖中(a)形狀,(b)就代表了平坦的宇宙,(c)就代表了負彎曲的宇宙。在這個測量中人們首次確定了我們的宇宙,至少是我們能看到的宇宙曲率幾乎是平坦的,沒有任何曲率。
宇宙是否有邊緣?有沒有宇宙「牆」?我們能走出宇宙嗎?
上圖就是我們宇宙可能的形狀,但我們是最後一個平坦的宇宙,這裡需要注意一下,上圖都是二維平面對三維空間的展現方式,我們無法想像三維空間的形狀,就像二維平面中的人無法想像三維空間一樣。而且我們還知道,宇宙實際的大小要比可觀測宇宙大得多,這就說明了雖然我們測量的可觀測宇宙是平坦的,但不代表整個宇宙就是平坦的,這就跟我們地球類似,我們看到地球是平的,只是因為我們太渺小,實業有限。地球表面的二維平面就彎曲呈了封閉的球形。
因此類似宇宙地球二維表面的彎曲,三維空間也可以在四維空間中彎曲成各種封閉的形狀,由三維空間組成的封閉形狀跟地球表面類似,是無限的空間。因此我們不會達到宇宙的邊緣,因為沒有邊緣,也沒有所謂的宇宙「牆」!如果我們想俯瞰宇宙,就必須進入四維空間,這樣我們就能走出三維宇宙,但是四維空間在哪呢?