概述
幾個世紀前，當人們看著夜空時，想像地球被一個黑色的球體籠罩著，他們認為天空中的星星只是光點而已，認為太陽、月亮和其他行星繞著地球旋轉。在他們的頭腦中，宇宙是小的，地球是中心。
像哥白尼和伽利略這樣的科學家，發現了這一想法存在不足之處，認為地球不是宇宙的中心。隨著時間的推移，我們開始了解更多關於宇宙的知識。今天，我們可以通過先進的望遠鏡、衛星和探測器研究太空。
現在，我們可以看到距離地球數百萬光年遠的星系圖像，完全超乎了我們的想像。
但是，我們對整個宇宙了解多少呢？它在擴張嗎？這會持續下去嗎？如果它不是無限的，那麼超出空間的東西又是什麼？空間是什麼樣子呢？
當然，這些問題屬於宇宙學範疇，換句話說，就是研究宇宙。為了研究它，人們已經嘗試了許多方法，例如數學、物理和哲學的方法。
關於宇宙是什麼樣子，宇宙學家並沒有達成共識，但存在許多理論。描述一個空間問題是很難將它可視化，過去，我們習慣於把「位置」想像成是二維的。例如，你可以使用經度和緯度在地圖上來確定你的位置，但空間四個維度的，換句話說，你還需考慮時間和高度。事實上，許多宇宙學家把這一系列測量稱為時空。有哪些基本理論可以幫助我們確定空間的形狀呢？
大爆炸、引力和廣義相對論
在理解宇宙形態方面，存在三個重要的理論：大爆炸、重力理論和愛因斯坦的廣義相對論。而這些理論究竟要解釋什麼呢？
1.大爆炸理論試圖描述宇宙的起源。通過觀察和分析，天文學家已經確定宇宙正在擴張，他們認為，一旦宇宙中的所有物質和能量都包含在一個極其微小的點上時，那麼宇宙就會突然膨脹，而且物質和能量會以驚人的速度飛出。正如我們所知，它們已經成為宇宙形成的基石。
2.在重力理論中，據說，每個物質粒子都對其他物質粒子有吸引力。特別地，這些粒子相互吸引，力的大小與它們的質量成正比，與它們之間的距離的平方成反比。即：
F = GMm / r ^ 2。
F是引力的力量。M和m代表這兩個物體的質量，r ^ 2是兩個物體之間距離的平方。那麼什麼是G？這是一個引力常數，無論質量如何，它都是一個恆定值，引力常數為6,672×10 ^ -11 Nm ^ 2 / kg ^ 2，這是一個非常小的數字，這就解釋了為什麼這些物體並不總是粘在一起。
如果大爆炸理論是正確的，那麼當宇宙開始時，必須有一個巨大的能量來推動物質，並且它必須克服宇宙中所有物質的引力。現在，宇宙學家要確定的是，宇宙中物質的實際數量，如果有了足夠大的體積，那麼引力就會逐漸減慢，然後宇宙的膨脹就會停止。但是，如果沒有足夠的物質，那麼引力就不足以阻止宇宙的膨脹，它就會無限地增長。
3.相對論，它除了解釋能量與物質之間的關係之外，也提出了空間彎曲的結論。空間中的物體，在橢圓軌道上運行，不是因為引力，而是因為空間本身是彎曲的，所以直線實際上是一個「圈」。在幾何學中，曲面上的直線是測地線。
上述三種理論構成了關於空間形狀各種理論的基礎。但是，對於哪種形式是正確的，還沒有達到真正的共識。空間的理論形式是什麼？為什麼我們不知道哪一個理論是正確的呢？
空間形式
關於宇宙，有三種曲率：零曲率，正曲率和負曲率。
零曲率，意味著宇宙是平坦的或歐幾裡得的宇宙（歐幾裡德幾何處理非曲面）。如果設想空間是一個二維結構 ，那麼「歐幾裡得宇宙」看起來是平坦的。在一個平坦的宇宙中，只要有足夠的物質，這樣的宇宙就會無限地膨脹，儘管膨脹的速度會隨著時間的推移而減少，但它不會崩潰。如果宇宙有一個正曲率，那麼它就是一個封閉的宇宙。這樣一個宇宙的二維模型就像一個球體，平行測地線（曲面上的直線）是不可能的，即：兩條平行直線會相交。在封閉的宇宙中，只要有足夠的物質，就可以逆轉膨脹。最終，這樣的一個宇宙會崩潰的。
負曲率是難以形象化的，最常見的描述就是馬鞍。在負曲率模型中，平面中的兩條平行線會彼此遠離。宇宙學家把負曲率稱為開放宇宙模型。在這些宇宙中，沒有足夠的物質來改變或放慢擴張，所以宇宙會繼續無限擴張。
這是否意味著空間具有平面、球體或鞍座的形狀呢？不一定。請記住，時空是用四個維度來度量的，這就降低了二維例子的有效性。但關於宇宙的最終形狀是什麼？仍存在著許多相互競爭的理論。
其中，一種可能的形式就是三重環面。乍一看，三環面是一個普通的立方體，但立方體的每一面都粘在對面的「臉」上。想像一下，你正開著宇宙飛船，在一個大立方體中飛行。如果你要去立方體的頂端，當你和它接觸時，你不會墜毀，相反，你會發現自己處於立方體底部的某個適當位置。不管你從任何方向走得多遠，你最終都會回到旅程開始的地方。
另一種形式就是十二面體球形-龐加萊形狀。令人費解的是，這個宇宙的預測尺寸比我們所能觀察到的面積要小，換句話說，我們的可見度超過了宇宙的界限。但是，宇宙學家說，這是沒有問題的。當你看到一個似乎超越空間的遙遠星系時，你實際上正在經歷一個環繞上述效應的過程，而你看到的只是十二面體的一邊。
看到了這裡，你是否感覺到有點頭暈呢？關於宇宙還存在許多理論，但其中大多數都與我們迄今為止的證據不相符。是什麼證據呢？我們如何收集這些證據？
如何測量空間
光學望遠鏡可以讓你查看可見光譜中的物體，但它們是相對較弱的儀器。這是因為來自遙遠星系的光，在到達地球之前可以妨礙粒子云和其他天體，而其他設備可以測量超出可見光譜的波長。最近，宇宙學的許多研究都集中在宇宙微波背景（CMB）上了。
科學家們對CMF（一種輻射）做了一個有趣的發現。他們發現，CMF輻射波長的變化停在某一點。在無限的宇宙中，波長的大小是沒有限制的。我們期望能夠看到各種大小的變化和頻率。
至於宇宙膨脹，宇宙學家引用了宇宙密度這個概念，即：宇宙中物質量與它的大小之比。如果密度參數大於1，這將意味著，它是一個封閉的宇宙，在這樣的宇宙中，有足夠的質量來逆轉它的膨脹；如果密度參數為1，表明它是一個平坦的宇宙，其中膨脹減慢，但不會停止；如果參數處於0到1之間，這將意味著，它是一個開放的宇宙，它將繼續無限地膨脹。
但是，我們並不知道宇宙中到底有多少物質。我們可以檢測到的物質數量只佔宇宙中很小的一部分，我們似乎是看不到其他物質的。一些宇宙學家推理說，這意味著有某種我們根本看不到的物質，叫做暗物質。
暗物質
宇宙中，是否有足夠的暗物質能引起大的壓縮？是否有足夠的物質來平衡和增加宇宙密度參數到1或更高呢？雖然宇宙學家認為宇宙中的暗物質比觀測到的物質要多得多，但他們估計，可見物質和暗物質的組合只佔宇宙逆膨脹所需量的30%左右。
結語
雖然我們不知道空間的最終形式是什麼，但科學家每天研究宇宙，仍然可以為我們帶來新的信息（這是一個發展的過程）。如果空間有界限的，那麼空間的「背後」又隱藏著什麼呢？就目前而言，也許我們還沒有能力去了解和想像這一切。我們就像螞蟻一樣，只清楚地自己的巢穴，了解自己的同伴，但對於外面的森林，外面只是一種懷疑和想像，想像外面的世界是如此大、如此美麗與複雜。