宇宙是有限的還是無(wú)限的？它是一直向前發(fā)展，還是循環(huán)往復(fù)？如果你堅(jiān)定不移地朝一個(gè)方向旅行下去，會(huì)發(fā)生什么？

宇宙是一個(gè)巨大、奇妙而又古怪的所在。從人類(lèi)的視角，各個(gè)方向上的宇宙范圍大約為460億光年。

無(wú)論望向哪里，我們看到的都是一個(gè)充滿(mǎn)恒星和星系的宇宙，但這些天體都是獨(dú)一無(wú)二的嗎？有沒(méi)有可能，你在一個(gè)方向上看到的一個(gè)星系，當(dāng)你從不同的視角，或者從相反的方向看，也會(huì)看到同樣的星系？

宇宙真的會(huì)循環(huán)往復(fù)嗎？如果你沿著直線(xiàn)旅行得足夠遠(yuǎn)，最終會(huì)回到起點(diǎn)嗎，就像你在地球表面朝任何一個(gè)方向走了足夠長(zhǎng)的時(shí)間一樣？或者，會(huì)不會(huì)有什么東西阻止你回到原點(diǎn)？

圖中所示的星系都位于本星系群之外，因此它們都不受銀河系的引力約束。結(jié)果，隨著宇宙的膨脹，它們發(fā)出的光會(huì)向波長(zhǎng)更長(zhǎng)、更紅的方向移動(dòng)。這些物體不斷遠(yuǎn)離我們，隨著膨脹的持續(xù)，它們會(huì)越來(lái)越遠(yuǎn)。

這是一個(gè)值得思考的有趣問(wèn)題。對(duì)大多數(shù)人來(lái)說(shuō)，空間和時(shí)間的一些特性是難以想象的。在宇宙中，如果一直沿直線(xiàn)旅行的話(huà)，似乎可以永遠(yuǎn)走下去。有什么東西會(huì)阻止你？一堵墻？如果是的話(huà)，那墻的另一邊是什么？

或許聽(tīng)起來(lái)很荒謬，但答案是：兩種情況皆有可能。你既可以永遠(yuǎn)旅行下去，但也會(huì)有東西阻止你。關(guān)鍵在于如何理解不斷膨脹的宇宙，這本身就是最令人難以想象的概念之一。

當(dāng)我們仰望宇宙的時(shí)候，看到的物體并不是它們?nèi)缃翊嬖诘臉幼印奈覀兊慕嵌葋?lái)看，宇宙大爆炸已經(jīng)發(fā)生了138億年，而我們所看到的一切都比宇宙本身年輕。

我們的宇宙可能有點(diǎn)像一個(gè)關(guān)于小行星的宇宙三維游戲，你可以從宇宙的這邊離開(kāi)，然后在另一邊重新出現(xiàn)。

如果宇宙膨脹得足夠慢，或者我們的速度足夠快，時(shí)間足夠長(zhǎng)，那我們最終會(huì)回到起點(diǎn)，沒(méi)有什么能阻止我們到達(dá)設(shè)定的目的地。

大爆炸同時(shí)發(fā)生在所有地方，如果我們位于宇宙的其他地方，也會(huì)經(jīng)歷同樣的138億年時(shí)間。但如果我們從那個(gè)位置觀察地球，就必須考慮到我們所看到的地球并不是它今天真正的模樣。相反，我們看到的是地球當(dāng)時(shí)的樣子；當(dāng)時(shí)到達(dá)的光從地球發(fā)射出來(lái)，再被我們接收到。我們看到的是地球的過(guò)去。

如果我們?cè)谠虑蛏希@些反射光大約就是1.3秒前發(fā)出的。如果我們?cè)谝活w圍繞半人馬座α星運(yùn)行的行星上，那這些光的存在就已經(jīng)有4.3年了。如果我們?cè)谙膳窍担瑒t這些光應(yīng)該已經(jīng)行進(jìn)了250萬(wàn)年。

當(dāng)我們從自己的角度觀察一個(gè)遙遠(yuǎn)的物體時(shí)，同樣的原理也在起作用：我們看到的是這些物體在光線(xiàn)到達(dá)時(shí)的樣子。只不過(guò)，如果我們將目光越過(guò)本星系群的衛(wèi)星、行星、恒星和星系，向更遠(yuǎn)的宇宙望去，就會(huì)有另一個(gè)因素在起作用：光所穿過(guò)的空間正在擴(kuò)大。

20世紀(jì)，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)宇宙正在膨脹，這是人類(lèi)對(duì)宇宙認(rèn)識(shí)的最大變革之一。一個(gè)距離我們?cè)竭h(yuǎn)的遙遠(yuǎn)星系——假設(shè)它不受銀河系引力的約束——它發(fā)出的光的紅移量就越大，或者說(shuō)，它的光會(huì)被拉伸至更長(zhǎng)的波長(zhǎng)。

即使是在一個(gè)不斷膨脹的宇宙中，只要有足夠的時(shí)間，遙遠(yuǎn)天體發(fā)出的光終究會(huì)被我們看到。不僅光子的波長(zhǎng)會(huì)因?yàn)橛钪娴呐蛎浂焕L(zhǎng)，物質(zhì)粒子的德布羅意波長(zhǎng)也會(huì)被拉長(zhǎng)。光在宇宙中穿行的時(shí)間越長(zhǎng)，它的波長(zhǎng)因宇宙膨脹而被拉長(zhǎng)的程度就越大。

在宇宙中，有三種情況通常會(huì)導(dǎo)致紅移：

盡管前兩種效應(yīng)在短距離內(nèi)可能很顯著，但在最大的宇宙尺度上，只有空間的膨脹才具有重要的意義。

三角形的內(nèi)角和取決于空間曲率的大小。在正曲率（上）、負(fù)曲率（中）或平坦（下）的宇宙中，三角形內(nèi)角之和分別為＞180°、＜180°或等于180°。盡管很容易描繪一個(gè)正曲率的曲面（上）是如何有限并循環(huán)的，但非正曲率的曲面也可以是有限的。

宇宙正在膨脹的事實(shí)很重要，原因有很多，尤其是從宇宙的視角來(lái)看。這一事實(shí)讓我們可以推斷出宇宙歷史，以及我們?nèi)绾螐囊粋€(gè)更熱、更密集、更均勻、更迅速膨脹的狀態(tài)中誕生的過(guò)程。如果我們能測(cè)量膨脹速率隨時(shí)間的變化，或許就能推斷出構(gòu)成宇宙的各種能量類(lèi)型及其比例。

而且，如果我們能知道宇宙是如何膨脹的，以及宇宙所包含的一切，我們就能預(yù)測(cè)它在遙遠(yuǎn)未來(lái)會(huì)如何膨脹，以及宇宙最終的命運(yùn)會(huì)是什么。

圓環(huán)幾何結(jié)構(gòu)是空間平面的一個(gè)例子，它既沒(méi)有正曲率也沒(méi)有負(fù)曲率，但在范圍上是有限的。如果你所處的空間本質(zhì)上是環(huán)面，那么一直沿直線(xiàn)走的話(huà)，你最終就可以回到起點(diǎn)。

那么，這些與之前提到的問(wèn)題有什么關(guān)系？如果你永遠(yuǎn)沿著直線(xiàn)穿越宇宙，會(huì)發(fā)生什么？

首先，我們先來(lái)考慮另一種可能性：如果你永遠(yuǎn)沿著直線(xiàn)旅行，穿過(guò)一個(gè)不會(huì)膨脹，靜態(tài)不變的宇宙，情況會(huì)有什么不同？

在靜態(tài)不變的宇宙中，一切都取決于我們已知的、可以用數(shù)學(xué)描述的宇宙拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論帶來(lái)的重大變革之一，就是讓人們認(rèn)識(shí)到，空間本身并不能簡(jiǎn)單地用直線(xiàn)構(gòu)成的的三維網(wǎng)格來(lái)描述，因?yàn)檫@種描述是剛性、絕對(duì)的。

相反，空間本身必然會(huì)因物質(zhì)和能量的存在（或不存在）而彎曲。當(dāng)存在一個(gè)巨大且過(guò)度密集的物質(zhì)和/或能量集合時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致更大的（正的）空間曲率；而當(dāng)物質(zhì)和能量低于平均水平甚至是負(fù)的時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致負(fù)曲率。

最全面的宇宙微波背景圖。宇宙微波背景輻射是宇宙中可觀測(cè)到的最古老的光。這張圖向我們展示了大爆炸發(fā)生38萬(wàn)年后宇宙快照，其中沒(méi)有重復(fù)的結(jié)構(gòu)，也沒(méi)有可以相互識(shí)別的區(qū)域。這一事實(shí)限制了任何重復(fù)結(jié)構(gòu)的大小，也限制了宇宙的有限屬性，使之大于現(xiàn)代宇宙視界的大小。

在廣義相對(duì)論中，我們所居住的時(shí)空也可以有一個(gè)全局結(jié)構(gòu)。你的時(shí)空可以是正曲率的，就像一個(gè)（高維）球體；它也可以是負(fù)曲率的，就像一個(gè)（高維）馬鞍；它還可以是平坦的，在最大的整體尺度上既沒(méi)有正曲率也沒(méi)有負(fù)曲率。

盡管我們很容易看出正曲率空間是如何有限和封閉的，但要意識(shí)到平坦空間也可以有限和封閉，就不那么直觀了，但這種情況確實(shí)是可能的。

要理解這一點(diǎn)，只需簡(jiǎn)單地想象一個(gè)長(zhǎng)而直的圓柱體，然后把這個(gè)圓柱體彎曲成一個(gè)甜甜圈狀，直到兩端連接起來(lái)。這種形狀被稱(chēng)為圓環(huán)體，它在空間上是平坦的，同時(shí)也是有限的和封閉的。

（1）宇宙可能是有限的和封閉的，無(wú)論它的曲率如何。如果你在一個(gè)方向上走得足夠遠(yuǎn)，或者說(shuō)在一個(gè)方向上走得足夠久，你最終會(huì)回到起點(diǎn)。即使空間本身在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上很奇怪，就像一條莫比烏斯帶或一個(gè)克萊因瓶，你也可以繼續(xù)前進(jìn)，并最終回到旅程開(kāi)始的地方。

（2）宇宙可能是無(wú)限、開(kāi)放的，與它的曲率無(wú)關(guān)。無(wú)論你朝哪個(gè)方向走了多遠(yuǎn)，花了多長(zhǎng)時(shí)間，你總會(huì)發(fā)現(xiàn)自己遇到了以前從未遇到過(guò)的“新空間”。沒(méi)有什么能阻止你，也沒(méi)有什么能使你回到出發(fā)的地方，除非你掉轉(zhuǎn)頭往回走。

宇宙的預(yù)期命運(yùn)（前三張插圖）都對(duì)應(yīng)著一個(gè)物質(zhì)和能量共同對(duì)抗初始膨脹速率的宇宙。在我們觀測(cè)到的宇宙中，宇宙加速是由某種類(lèi)型的暗能量引起的，這種暗能量至今仍未得到解釋。如果宇宙膨脹速率繼續(xù)下降，就像前三種情況一樣，那你最終可以趕上任何東西。但如果你所處的宇宙包含暗能量，情況就不再是這樣了。

當(dāng)我們以各種已知的方式觀測(cè)宇宙——包括其中的各種星系、各種氣體和等離子體、恒星輻射、星際物質(zhì)分子，甚至是宇宙大爆炸本身——我們都在尋找重復(fù)的模式，希望能找到證據(jù)，證明宇宙在我們可以觀察到的尺度上可能是有限的。

事實(shí)上，我們唯一一次看到多幅同一天文源圖像的時(shí)候，就是在空間某處有一個(gè)巨大的引力質(zhì)量時(shí)，來(lái)自背景源的光被扭曲成多個(gè)不同的路徑，而這些路徑都可以成功地到達(dá)我們的眼睛。盡管這種現(xiàn)象——被稱(chēng)為“強(qiáng)引力透鏡”——在光學(xué)和科學(xué)上都有非同尋常的意義，但它只局限于天空中非常狹窄、局部的角度和區(qū)域。

然而，我們還沒(méi)有這樣的好運(yùn)氣。事實(shí)上，我們已經(jīng)能夠滿(mǎn)懷自信的說(shuō)，整個(gè)宇宙中并不存在重復(fù)的結(jié)構(gòu)，沒(méi)有哪個(gè)物體會(huì)與我們?cè)诹硪粋€(gè)方向觀察到的物體相同；甚至在宇宙“最初的光”當(dāng)中，我們也沒(méi)有在兩個(gè)不同區(qū)域發(fā)現(xiàn)完全相同的模式。

但現(xiàn)在，讓我們來(lái)思考一個(gè)既重要而又令人不安的現(xiàn)實(shí)：宇宙不是靜態(tài)的，而是在膨脹的。更確切地說(shuō)，宇宙不僅僅在膨脹，因?yàn)槠渲幸渤錆M(mǎn)了物質(zhì)和能量，它在膨脹時(shí)也有引力的作用。我們可以想象，至少在原則上，這意味著我們的遙遠(yuǎn)未來(lái)存在某些可能性。

（1）引力效應(yīng)可能比目前的宇宙膨脹更強(qiáng)大，這意味著，宇宙會(huì)膨脹一段時(shí)間，達(dá)到最大尺度，然后逆轉(zhuǎn)方向，開(kāi)始收縮，甚至可能以“大坍縮”結(jié)束，就像一開(kāi)始的“大爆炸”一樣；

（2）引力效應(yīng)可能沒(méi)有目前的宇宙膨脹強(qiáng)大，這意味著宇宙將永遠(yuǎn)膨脹，盡管膨脹速度可能會(huì)繼續(xù)放緩；

（3）引力效應(yīng)與初始膨脹可以完美地平衡彼此，這意味著，膨脹速率將以漸近線(xiàn)的形式接近于0，但永遠(yuǎn)不會(huì)逆轉(zhuǎn)或重新坍縮。

在20世紀(jì)的大部分時(shí)間里，這就是宇宙學(xué)家們考慮的三種主要可能性。對(duì)宇宙膨脹速率和膨脹歷史的探索，就是為了更深入地區(qū)分這些選項(xiàng)。

可見(jiàn)宇宙的大小（黃色），以及我們所能達(dá)到的范圍（洋紅色）。可見(jiàn)宇宙的極限是461億光年，因?yàn)檫@是一個(gè)發(fā)出光的物體在遠(yuǎn)離我們138億年之后到達(dá)今天我們所處位置的極限。然而，在大約180億光年之外，即使我們以光速前往一個(gè)星系，也永遠(yuǎn)無(wú)法追上它。

如果第一個(gè)選項(xiàng)描述了我們所處宇宙的現(xiàn)實(shí)，那你就不可能永遠(yuǎn)走直線(xiàn)，因?yàn)橛钪嬷淮嬖谟邢薜臅r(shí)間，你最終會(huì)撞到一堵墻，一堵時(shí)間的墻。你可以一直沿著直線(xiàn)旅行，在宇宙再次完全坍縮之前回到起點(diǎn)，但到時(shí)你或許只能享受一小段時(shí)間。

如果第二個(gè)或第三個(gè)選項(xiàng)描述了宇宙的現(xiàn)實(shí)，那你最終將能夠“追上”任何存在于太空中的星系或物體，甚至是那些正在以極快的速度遠(yuǎn)離我們的星系或物體。

隨著時(shí)間的推移，膨脹率會(huì)持續(xù)下降，漸漸地，越來(lái)越多的遙遠(yuǎn)星系會(huì)第一次出現(xiàn)在我們的視野中，并最終被一個(gè)在足夠長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)沿同一條直線(xiàn)移動(dòng)的太空旅行者超越。

如果宇宙是無(wú)限的，那我們最終可以追上任何東西；如果宇宙是有限的，我們最終會(huì)回到自己的起點(diǎn)。

然而，更重要的問(wèn)題是，這些場(chǎng)景都不足以描述我們的宇宙實(shí)際上是如何膨脹的。我們其實(shí)生活在一個(gè)由暗能量主導(dǎo)的宇宙中，這是空間結(jié)構(gòu)中固有的一種能量，它總是保持恒定的能量密度。

即使空間本身在膨脹，暗能量的密度也永遠(yuǎn)不會(huì)下降，因此，膨脹速率永遠(yuǎn)是正的和有限的。這極大地改變了我們對(duì)宇宙命運(yùn)的預(yù)期，這意味著，對(duì)于任何一個(gè)距離很近，但不受銀河系引力約束的星系，一旦它擴(kuò)展到一定距離之外，我們就永遠(yuǎn)無(wú)法追上它。

換言之，這個(gè)星系將從我們“觸手可及”的地方消失，無(wú)論我們朝它的方向旅行了多長(zhǎng)時(shí)間，無(wú)論我們能達(dá)到的速度有多接近光速。

很遺憾，這就是我們目前所能獲得的答案。沿一條直線(xiàn)，你可以在時(shí)間上永遠(yuǎn)旅行下去，但只能到達(dá)可觀測(cè)宇宙的很小一部分。任何超出當(dāng)前宇宙視界的事物——超出我們目前所能看到的極限——都永遠(yuǎn)超出了我們的觀測(cè)能力范圍。

事實(shí)上，我們今天已經(jīng)無(wú)法觀測(cè)到任何比180億光年更遠(yuǎn)的物體了。換句話(huà)說(shuō)，在我們所能觀測(cè)到的所有物體中，只有大約6%的物體是我們可以到達(dá)的。每過(guò)一秒鐘，就會(huì)有成千上萬(wàn)顆恒星被膨脹的宇宙推過(guò)這個(gè)臨界邊界，導(dǎo)致它們從“可及”過(guò)渡到“不可及”，即使我們現(xiàn)在就以光速出發(fā)追趕它們。

盡管有各種解釋宇宙形狀、曲率和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可能性，但即使永遠(yuǎn)沿直線(xiàn)旅行，你也永遠(yuǎn)不會(huì)回到起點(diǎn)。綜合事實(shí)如下：

·宇宙不會(huì)重復(fù)，在小于~460億光年的尺度上也不是有限的，這使我們永遠(yuǎn)無(wú)法像環(huán)繞地球那樣，環(huán)繞宇宙航行。

在某種非常宏大的尺度上，宇宙也許在本質(zhì)上確實(shí)是有限的。但即使如此，我們也不可能知道。盡管只要我們?cè)敢猓涂梢砸恢痹谟钪婵臻g中以盡可能快的速度旅行；

我們可以想象沒(méi)有盡頭，但大部分的宇宙已經(jīng)永遠(yuǎn)地遠(yuǎn)離我們，而且越來(lái)越遠(yuǎn)。一個(gè)宇宙視界限制了我們?cè)诓粩嗯蛎浀挠钪嬷新眯械木嚯x，就目前的我們而言，超過(guò)180億光年遠(yuǎn)的物體實(shí)際上已經(jīng)消失不見(jiàn)了。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的在宇宙中一直沿直线旅行会发生什么？的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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