宇宙到底怎么形成的 到底有多大（宇宙究竟是不是一个球体）

战国末期尸佼曾经说过：“四方上下曰宇,往古来今曰宙.”“宇”指空间,“宙”指时间,“宇宙”就是时间和空间的统一，说明在2000多年前，古人就已经意识到了宇宙的存在。那个时候，人们认为天是圆形的，像一把张开的大伞覆盖在地上，地是方形的，像一个棋盘，日月星辰则像爬虫一样过往天空，这一学说被称为“天圆地方”说。

而随着科技的发展，人们对于宇宙的认识也在不断加深，借助探测仪器，科学家开始去探索宇宙的形状，那么宇宙究竟是一个什么样的形状呢，是否有边界呢？

关于宇宙形状的三种可能性

在以前，阿里斯塔克斯、亚里士多德及托勒密都曾提出过几个不同的天体学理论，但是最后都被推翻。在对宇宙认识的不断加深之中，奥伯斯提出了著名的“奥伯斯佯谬”：如果宇宙是无限的，并且恒星的数量也是无限的，而且是均匀分布的，那么黑夜则不复存在，因为你向任何一个方向望去，总能看到一个恒星。

这个问题也引来爱因斯坦的疑惑：宇宙究竟是无限伸展的？还是有限封闭的？

1917年，爱因斯坦向普鲁士科学院提交了一篇题为《广义相对论下的宇宙学思考》的论文，爱因斯坦通过求解广义相对论中的核心方程——爱因斯坦场方程，引入了宇宙常数项（Λ），建立了一个“静态、有限、无界”的宇宙模型：

引入宇宙常数前的爱因斯坦场方程

引入宇宙常数后的爱因斯坦场方程

方程的左边被称为爱因斯坦张量，描述了时空的几何，比如在不同的地方时空的弯曲是如何变化的。方程的右边我们看到的是一些熟悉的常数（比如万有引力常数G和光速c ）乘以所谓的应力-能量张量，它包含了在时空中的东西（比如物质、能量和压力）的信息。

其中“静态”是从大尺度来考察，宇宙空间中的物质基本上是静止不动的；而“有限无界”是指宇宙空间是三维的，它的大小有限，根据广义相对论，物质的存在使得时空弯曲。在巨大质量的天体附近，光线不“走”直线，光线在这个空间中沿着弯曲路径传播，始终不会有它的终点，即这个空间没有边界。

爱因斯坦的宇宙学原理认为宇宙是均匀和各向同性的。他构造了一个有限无边的宇宙静态模型，认为宇宙可能是一个有限封闭的三维球面。

这篇论文的发表标志着现代宇宙学的诞生。

在爱因斯坦将宇宙学原理应用到宇宙学研究之后，宇宙的形状就受到了严格的限制。宇宙学原理要求宇宙空间每一点的地位都是平等的，所以宇宙空间不可能有很奇怪的拓扑结构——举一个反例，宇宙不可能长成自行车内胎这样，因为内胎外侧的点与内侧的点地位显然不一样。

后来，1922年苏联科学家弗里德曼重新求解了爱因斯坦的引力方程，认为爱因斯坦引入的“宇宙常数项”完全没有必要，而一旦去掉了宇宙学常数，那就是不要假设宇宙是静止的！

爱因斯坦、哈勃、弗里德曼

弗里德曼认为正如我们所观测到的，宇宙中充满了物质和辐射，并且是会弯曲的。他进一步假设，宇宙大致是各向同性（每个方向看起来都一样）和均匀（宇宙各处的特性都一样）的。

基于这些，弗里德曼从广义相对论的核心方程——爱因斯坦场方程中推导出了第一弗里德曼方程，从而对爱因斯坦提出的宇宙静态模型进行了修正。

方程的另一边包含了所有的物质、辐射和其它任何组成宇宙的能量形式。方程中也包含了空间固有的曲率，取决于宇宙是闭合的（正曲率）、开放的（负曲率），或平坦的（零曲率）。方程中也加入了“Λ”项，代表的正是宇宙学常数，它可以是一种能量的形式或者空间固有的性质。（在哈勃发现宇宙在膨胀后，爱因斯坦认为加入宇宙学常数是自己一生中犯过最大的错误。但自上个世纪九十年代天文学家发现暗能量后，人们才意识到宇宙学常数的重要性可能一直被低估了。）

这个方程告诉我们，宇宙并不静止，而是膨胀或者收缩（取决于宇宙的膨胀率和成分）。更重要的是，它们还能告诉我们宇宙在过去或者将来将如何随时间而演化。并建立了“弗里德曼宇宙模型”，认为宇宙的演化与宇宙物质的平均密度和临界密度有关，1929年，哈勃发现星系红移，观测到宇宙正在膨胀，从而证实了第一弗里德曼方程的正确性！

根据弗里德曼的膨胀曲线宇宙的形状会存在着三种可能性，即宇宙曲率分别为零、正和负时，宇宙所呈现的三种不同形态：如果宇宙空间具有正曲率，那么它是一个封闭的三维球面，也就是有边界；如果宇宙空间的曲率是零，那么它是一个无边无际的平坦三维空间，也就是平直的三维欧氏几何空间；如果宇宙空间具有负曲率，那么它同样没有边际，是一个弯曲的三维双曲面，像马鞍一样。

而如何测量宇宙的形状，一共有两种方法，其一是用几何的方法测量，其二是用密度的方法去界定。

而之前大多数科学家相信“平坦宇宙”的概念，也就是宇宙空间的曲率是零，也就是平直的三维欧氏几何空间。在平坦宇宙中，宇宙向各个方向延伸，没有边界，在整个宇宙范围内光是沿直线传播的，不围绕自身循环。

如果你没有办法理解的话，你就简单地把它理解为宇宙就是一张床单，它并没有边界。宇宙从边缘无限扩大，一直延伸到143亿光年，这是可见宇宙的最大尺度，至于143亿光年之外究竟是个什么样子，由于目前人类尚未掌握观测的方法，143亿光年之外的宇宙我们尚不清楚。

但是最新的研究成果却表示并不是这样。

最新研究，宇宙可能是个球，有边界

平坦宇宙的主要证据来源于宇宙微波背景（CMB）数据，由于科学家发现宇宙大爆炸之后至今，宇宙微波辐射基本上呈均匀状态分布在宇宙空间，因此，大多数科学家认为宇宙从空间模型上来说是平坦的。但是已经采集到的宇宙微波背景数据中也存在一些异常的现象，平坦宇宙无法解释这种异常。

比如，科学家已经注意到：一个用来发现遥远天体的“引力透镜”理论中，重力对空间的影响要比预期的大得多，这超出了现代物理学的解释范围，而弯曲宇宙的模型则能够对这个现象做出合理解释。

据外媒报道，发表在《自然天文学》杂志上的一项研究指出，宇宙空间可能不像已知的那样平坦，而可能是弯曲的，，而是像一个巨大的不断膨胀的气球一样弯曲，只不过由于是在宇宙的尺度上，因此，这个弯曲的程度不像人们思维中认为的那样明显。

研究人员检查了来自宇宙微波背景的数据，该数据是“大爆炸”的微弱回声，从而得出结论：宇宙不是平的。他们指出，如果你沿直线在太空飞行，最终你会回到起点，只不过这个弯曲的程度不像人们思维中认为的那样明显，这个想法被称为“封闭宇宙”。现在，研究人员在测量宇宙微波背景时得到了异常的数据资料，为封闭宇宙观点提供了坚实的（但不是绝对的）证据。

封闭宇宙则更像一个膨胀的气球。无论哪种情况，整个宇宙都在扩张，当气球膨胀时，其表面的每个点也离其他点越来越远，但由于气球的曲率，使这种远离运动的几何学更加复杂。

这意味着，如果有两个光子，当它们在一个封闭的宇宙中平行移动时，它们（最终）会相遇，但是在以前的“平坦宇宙”中，光子在不受干扰的情况下，会一直沿着平行方向运动，而不会相互作用。

而根据这篇最新的论文，科学家认为，如果宇宙从形状上来说是弯曲的，那么，这个弯曲的程度也是极其有限的，而且对于我们的生活、太阳系乃至银河系的运动来说，影响极其有限。

但是弯曲的宇宙模型则会产生一个意想不到的结果：如果你试图超越我们的银河系，穿过无边无际的黑暗空间，那么，你最终可能会回到当初离开的地方，这就是说，宇宙的模型，实际上是封闭的，而不是此前认为的无限平坦。

但是，如果宇宙是弯曲的，那将会带来许多问题，与其他早期宇宙的数据集和膨胀观测结果会相矛盾。如何去调节其中的矛盾，是目前科学家还在思索的问题。

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