宇宙的大小是无穷大吗？

薇唯玮味

宇宙的大小是无穷大吗？那不可能吗？万物皆有始有终。
就我们所能测量的范围而言，宇宙要么是无限的，要么大到看起来是无限的。
我们一般认为宇宙存在三种可能的几何形状，我们称之为封闭、开放和平坦。有时我们称它们为德西特空间、反德西特空间和闵可夫斯基空间。
我们使用第一组名称，因为它用几何术语描述几何，而另一组名称来自提出这个想法的人。
所以让我们从一个平坦的宇宙开始。它并不意味着像扁平煎饼那样平坦，而是几何学表现得像在一张平板纸上。具体来说，三角形的内角和为 180°。这取决于宇宙的能量密度，它又是一个我们称之为 Ω（大欧米茄）的数字。如果 Ω 为 1，我们将拥有一个平坦且无限的宇宙，其中三角形很漂亮，就像中学一样。
一个封闭的宇宙表现得更像一个球。具体来说，球的表面，但多了一个维度。它自身弯曲。如果 Ω 大于 1，并且宇宙中的能量（和物质）多于引力，就会发生这种情况。如果发生这种情况，你可以直接进入太空，而不用转弯，最终你会回到你开始的地方。因此宇宙将是有限但无限的——又有点像一个球：它有一个有限的表面积，但没有起点或终点。这也意味着如果你做一个巨大的三角形，内角和大于180°。
最后，一个开放的宇宙表现得更像品客薯片的表面，但却是无限的。它远离自身弯曲，没有尽头。不仅如此，三角形的内角和小于 180°。如果 Ω 小于 1，就会发生这种情况。
我们可以这样来说明它们。



那么我们怎么知道哪个是哪个呢？好吧，我们制作了巨大的三角形。三角形的一个角在地球上，另外两个角在宇宙微波背景上，特别是其中的斑点之间的距离。我们知道那个距离，因为它取决于光速和宇宙的膨胀率。因此，如果我们可以在地球上测量角度，我们可以进行一些三角运算并找到角度和，这样我们就可以找到 Ω 的值。
当我们做那个练习时，我们得到值——击鼓声，拜托——Ω ≈ 1.02±0.02。
那么我们如何解释这个值呢？好吧，看看它的最后一点：±0.02。“±”表示“加或减”——您取第一位 1.02，然后从中加上或减去第二位。这定义了误差范围。所有可能结果的 66% 都发生在该范围内，在本例中为 1.00 到 1.04。
你还记得，Ω=1 意味着平坦的无限空间。Ω=1.04，或 Ω=1.02 表示宇宙向内弯曲。因此，只要给定误差范围，我们就知道最有可能的结果：一个无限的宇宙，或者一个非常大但有限的宇宙，并且由于误差范围，我们不能说它是哪个。
但我们可以说的是尺寸 1.04 和 1.02 的实际含义。1.04 表示整个宇宙大约是可观测宇宙（大约 930 亿光年）的 25 倍。而 1.02，最有可能的值，意味着整个宇宙比可观测宇宙大大约 500 倍。
（顺便说一句，“可观察宇宙”是宇宙中光有时间到达我们的那一部分。）

问：这不可能吗？万物皆有始有终。

A：嗯，我们实际上也对起源和结局一无所知。
我们可以观察到空间在膨胀。如果我们及时向后推断，距离就会变短。最终，我们来到了所有距离都为零的时间点。我们经常称其为大爆炸，即使它是一个糟糕的名字——我更喜欢“无处不在的伸展”而不是“大爆炸”。但在那之前，我们一无所知。就我们所知，“大爆炸之前”与“北极以北”一样毫无意义。
更糟糕的是，我们实际上知道得更少。因为我们不知道量子物理学和引力是如何相互作用的，但我们知道它们必须在最早的几分之一秒内相互作用，我们甚至无法说出在那最早的几分之一秒内发生了什么——包括它有多长，或者即使一开始就有砰的一声。所以宇宙可能没有起源，只是改变了阶段。但实际上我们不知道。
<hr/>我们实际上更了解另一端，即终点。宇宙从一开始就一直在膨胀（如果它是一个开始的话），而且现在实际上比过去膨胀得更快。使用它，以及我们所知道的在宇宙内部的知识，我们可以弄清楚未来会发生什么。
首先，恒星会死亡。我们自己的太阳将在大约 50 亿年后死亡。红矮星的寿命会更长，甚至可能达数万亿年。
更糟糕的是，恒星最终会停止形成。星系最终将耗尽其星云中的恒星形成物质。仍然会有气体，但过于分散，无法将自身聚集成一颗恒星。所以最终，在未来的数万亿年里，不会再有新的恒星出现，旧的恒星也会熄灭。
发生这种情况时，宇宙会继续膨胀。星系滑过宇宙视界，以至于我们再也看不到它们了。所以从地球上看——如果它在太阳死亡后幸存下来——可以观察的星系会越来越少。我们银河系中的恒星会变得更红、更暗，很快也会消失。宇宙变成了一个黑暗而寒冷的地方。
最终，随着宇宙继续膨胀，会出现最大熵点——没有自由能做任何事情的点。那就是宇宙寒冷黑暗的尽头——什么都不会再发生。
据估计，这种“宇宙热寂”将在大约 100 万 googol 年内发生——1 后跟 106 个零。
<hr/>所以你有它。宇宙可能是无限的，也可能只是大到看起来无限大。似有始，实不知；如果未来没有什么意外发生，宇宙似乎总有一天会终结。