宇宙的形状是怎样的？

识别行星、卫星和星系的形状相对简单，但测量宇宙的形状却要复杂得多。事实上，这个问题的答案非常反直觉 —— 因为当我们谈论某个事物的形状时，脑海中浮现的往往是从外部观察到的物体形态。

我们不能用这种思维去看待宇宙。宇宙没有所谓的 “外围边界”，其外部也不存在任何事物，因为 “外部” 这个概念本身就不成立。

我们可以用银河系的形状来做个类比。通过恒星分布图，我们能推断出银河系是一个螺旋星系，但我们无法走出银河系，亲眼见证这个螺旋结构。不过，借助望远镜，我们能从外部观测到其他螺旋星系，进而推断银河系与它们的形态相似。但这个类比存在一个关键漏洞：我们无法跳出宇宙去观察它，因为宇宙本就没有 “外部”。根据定义，宇宙包含了一切存在的事物，其外部不可能有任何物质。当然，混沌暴胀理论、膜理论和平行宇宙等现代学说，已经让这个定义变得模糊。

这些争议我们稍后再谈。目前，当我们讨论宇宙的 “形状” 时，其实指的是空间的几何结构。比如，在平面上，三角形的内角和永远是 180 度；但在曲面上，内角和可能大于或小于 180 度。在平面上，平行线会一直保持平行；但在曲面上，平行线可能会逐渐交汇、发散，甚至相交。如果从某一点出发沿一个方向行进，你会一直远离起点，还是最终绕回原地？这些问题，正是我们研究宇宙几何结构时要解答的核心。

关于宇宙形状的常见问题

科学家如何知晓宇宙的形状？科学家通过测量宇宙空间中物质的平均密度，并将其与临界密度对比，来确定宇宙的几何结构 —— 临界密度是决定空间曲率的关键数值。

是什么塑造了宇宙的形状？根据广义相对论，物质产生的引力会影响空间曲率；而宇宙大爆炸时的量子效应，同样对宇宙形状的形成产生了重要作用。

宇宙是球形还是平坦的？宇宙是平坦的，还是像球体一样呈闭合曲面，取决于物质密度与临界密度的接近程度。观测数据显示，宇宙的物质密度与临界密度几乎完全吻合，这表明宇宙是平坦的。

宇宙的真实形状究竟是什么？平坦的宇宙遵循欧几里得几何，其最简单的形态类似一张 “平面薄片”。但平坦宇宙也可能存在更复杂的形态，比如 “三维环面”。

如何测量宇宙的形状？

宇宙的几何结构由其内部的物质密度决定。爱因斯坦的广义相对论指出，物质可以扭曲空间，因此物质密度能够在最大尺度上决定空间的曲率与几何形态。

这里的关键数值是临界密度，用希腊字母 Ω 表示。如果宇宙的平均物质密度达到每立方米 6 个氢原子，就达到了临界密度。但宇宙中的物质分布并不均匀 —— 我们能观测到物质集中分布在星系内，而星系之间的广袤空间则近乎空无一物。不过，在计算宇宙物质密度时，我们会假设将宇宙中所有原子（其中四分之三是氢原子）均匀散布在整个空间中。

此外，宇宙中还存在暗物质。我们无法直接观测到暗物质，只能通过它产生的引力效应推断其存在，但已知暗物质占据了宇宙中约 85% 的物质总量。掌握暗物质的总量，对于研究宇宙的几何结构和最终命运至关重要。

宇宙的几何结构主要有三种可能性：开放型、闭合型和平坦型。若物质密度大于临界密度，宇宙呈闭合状态，空间曲率为正。在这种宇宙中，如果你沿直线在宇宙中航行，最终会绕回起点。正曲率的空间呈凸面形态，类似球体表面。在球面上，两条平行线不会永远保持平行 —— 它们会先发散，随后逐渐交汇，最终在起点附近相交。若物质密度小于临界密度，宇宙呈开放状态，空间曲率为负，形状类似马鞍的凹面，且很可能是无限延伸的。若物质密度恰好等于临界密度，宇宙则是平坦的，遵循以古希腊数学家欧几里得命名的欧氏几何 —— 在这种空间中，平行线永不相交，三角形内角和恒为 180 度。

宇宙的形状到底属于哪一种？美国国家航空航天局（NASA）的威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）和欧洲空间局的普朗克卫星，都对宇宙的物质 - 能量密度进行了精确测量，结果均显示 Ω 值等于临界密度。也就是说，宇宙的几何形态似乎是平坦的。

WMAP 和普朗克卫星对 Ω 值的测量精度极高，宇宙学家因此确信宇宙是平坦的。正如前文所述，这一结论是由临界密度和广义相对论共同推导得出的。

不过，一个名为 “宇宙拓扑异常观测、模型与预测协作组”（COMPACT）的国际研究团队发现：平坦的宇宙，并不排除存在复杂形状的可能。他们在研究论文中重点探讨了一种名为三维环面的结构。

我们可以这样理解环面的维度：一维环面就是一个圆圈；二维环面是生活中常见的甜甜圈形状。而三维环面，则可以想象成将一个立方体的相对面进行弯曲、拉伸，最终让它们相互贴合形成的结构。三维环面共有三种类型：基础型三维环面，以及分别旋转 90 度和 180 度的扭曲型三维环面。COMPACT 团队指出，这类三维环面结构，能够在视觉上保持平坦的欧氏几何特征。

从理论上讲，三维环面或其他奇特的宇宙形状，都可能源于宇宙大爆炸时的量子效应 —— 这些效应塑造了宇宙后续的演化轨迹。那么，我们如何判断自己是否生活在一个三维环面宇宙中呢？如果空间确实以这种方式 “自我闭合”，那么当光线沿着复杂的环形路径传播时，我们会在天空的不同区域观测到宇宙同一区域的重复影像。这就像生活在一个 “宇宙镜像迷宫” 里，我们要做的，就是识别出这些重复的影像。

COMPACT 团队研究了宇宙微波背景辐射（CMB，即大爆炸残留的辐射），试图从中寻找这种重复的模式，但目前尚未有任何发现。不过，这一结果存在两个疑点：第一，三维环面的尺度可能过于庞大，光线沿环形路径传播的时间远超宇宙的年龄，因此这些重复影像还未到达地球；第二，如果三维环面的尺度足够小，那么基础型三维环面可以被排除，但旋转 90 度和 180 度的扭曲型三维环面仍未被证伪。这是因为扭曲会改变重复影像的形态，使其更难被识别，而目前科学界尚未对宇宙微波背景辐射中这类扭曲的重复模式展开全面搜索。

COMPACT 团队表示，即便所有三维环面结构都被排除，数学上仍存在 18 种与平坦宇宙相符的可能形状 —— 或许其中一种，就是宇宙的真实模样。

宇宙在多维空间中的形状

根据一些尚未有确凿证据支撑的理论，我们的宇宙之外可能存在一个多维超空间，有时被称为 “体宇宙”。

该理论认为，我们的四维宇宙（三维空间 + 一维时间），悬浮在体宇宙这个更高维度空间的一张 “膜”（即 “膜宇宙”）之上。体宇宙的维度数量因模型而异，有的理论认为是 5 维，有的认为是 7 维，还有的认为维度数量远不止于此。无论如何，从体宇宙的视角来看，我们的宇宙形状就与这张 “膜” 的形态一致。体宇宙中或许还存在其他 “膜”，每张膜都对应一个独立的宇宙。有时，这些 “膜” 可能会发生碰撞，进而引发一场新的宇宙大爆炸。这种 “膜碰撞循环模型”，被称为火劫宇宙论。

另一种相关模型是混沌暴胀理论（又称永恒暴胀理论），它是对阿兰・古斯于 20 世纪 80 年代提出的暴胀理论的延伸。暴胀理论的提出，是为了解释一个难题：宇宙中相距遥远的区域，为何在物理性质上如此相似？要知道，这些区域之间的距离过于遥远，光线和信息根本没有足够的时间在它们之间传播（即不存在因果联系）。暴胀理论给出的解释是：在宇宙大爆炸的瞬间，这些区域原本距离很近，因此具备了相同的物理性质；随后，一场极其短暂却剧烈的暴胀过程，让新生的宇宙以远超光速的速度膨胀，从而将这些区域彻底分隔开来。

混沌暴胀理论的提出，是为了解决古斯原始暴胀模型存在的一些问题。该理论认为：暴胀空间的不同区域会在不同时间停止暴胀，这些区域会 “脱离” 母体空间，形成各自独立的空间，这些空间都拥有独特的物理性质、空间曲率和形状。

宇宙的命运

空间的几何结构，同样会决定宇宙的最终命运。

在闭合型宇宙中，物质密度高到超过临界密度，引力终将遏制宇宙的膨胀趋势。届时，宇宙会转而开始收缩，如同时间倒流一般，不断坍缩直至汇聚成一个单点，这个终点被称为 “大挤压”，堪称宇宙大爆炸的镜像反转。

在开放型宇宙中，物质密度低于临界密度，引力不足以减缓宇宙的膨胀速度。在暗能量的驱动下，宇宙膨胀会持续加速，最终迎来 “大撕裂”—— 就连空间本身都会被撕裂殆尽。

而在平坦型宇宙中，宇宙会一直膨胀下去，但膨胀速度会逐渐放缓，既不会发生大撕裂，也不会陷入大挤压。不过，这样的宇宙最终会走向 “大冻结”：能量会被无限稀释，宇宙达到熵值最大化的状态。这意味着宇宙中所有区域的温度都将降至极低且完全均等，届时任何做功与能量传递都将不复存在。

需要特别注意的是，上述所有推论都受到暗能量的制约 —— 这种神秘的力量目前正在加速空间膨胀。暗能量可能是一个宇宙学常数，也就是一种始终保持恒定强度的空间能量；也可能是一种充斥整个宇宙，但强度会随时间与空间变化的能量场。由于我们无法确切预知暗能量未来的演变规律，宇宙的最终命运也因此蒙上了一层迷雾。