宇宙是有限的还是无限的？它是向前移动还是来回移动？如果你坚定不移地朝一个方向旅行，会发生什么？

宇宙是一个巨大、奇妙和奇怪的地方。从人类的角度来看，方向上的宇宙范围约为460亿光年。

无论我们往哪里看，我们都能看到一个充满恒星和星系的宇宙，但这些天体是独一无二的吗？你在《方向上》中看到的一个星系，当你从不同的角度或相反的方向看它时，会看到同一个星系吗？

宇宙真的在循环吗？如果你沿着直线走得足够远，你最终会回到起点吗，就像你在地球表面的任何一个方向上走得足够长一样？还是有什么东西阻止你回到原点？

图中显示的星系位于本地星系群之外，因此它们不受银河系引力的限制。因此，当宇宙膨胀时，它们发出的光会向更长、更红的方向移动。这些物体不断远离我们，随着扩张的继续，它们会越来越远。

这是一个值得思考的有趣问题。对大多数人来说，空间和时间的某些特征是无法想象的。在宇宙中，如果你沿着直线旅行，你似乎可以永远继续下去。什么能阻止你？墙？如果是，墙的另一边是什么？

这听起来可能很荒谬，但答案是：这两种情况都有可能。你可以永远旅行，但有些东西会阻止你。关键是要理解不断膨胀的宇宙，这本身就是最难以想象的概念之一。

当我们仰望宇宙时，我们看到的物体并不是现在的样子。在我们看来，大爆炸已经发生了138亿年，我们所看到的一切都比宇宙本身年轻。

我们的宇宙可能有点像一个关于小行星的宇宙三维游戏。你可以离开宇宙的一边，重新出现在另一边。

如果宇宙膨胀得足够慢，或者如果我们足够快，足够长，我们最终会回到起点，没有什么能阻止我们到达既定的目的地。

为什么？

大爆炸同时发生在世界各地。如果我们在宇宙的其他地方，我们也会经历同样的138亿年。但是，如果我们从这个位置看地球，我们必须考虑到我们所看到的地球不是今天的样子。相反，我们看到的是当时的地球；那时候到达的光是从地球发射出来的，并被我们接收。我们看到的是地球的过去。

如果我们在月球上，反射光大约在1.3秒前就已经发出了。如果我们在一个围绕着半人马座α的卫星上，在恒星移动的行星上，这些光已经存在了4.3年。如果我们在仙女座星系，光会传播250万年。

当我们从自己的角度看远处的物体时，同样的原理也适用：我们看到的是这些物体在光线到达时的样子。然而，如果我们把目光投向我们星系群中的卫星、行星、恒星和星系之外，并进一步深入到宇宙中，就会有另一个因素在起作用：光通过的空间正在扩大。

在20世纪，物理学家发现宇宙正在膨胀，这是人类对宇宙认识的最大变化之一。一个星系离我们越远——假设它不受银河系引力的约束——其光的红移越大，否则它的光将被拉伸到更长的波长。

即使在一个膨胀的宇宙中，只要有足够的时间，我们最终也会看到来自遥远天体的光。不仅光子的波长会因为宇宙的膨胀而延长，物质粒子的德布罗意波长也会延长。光在宇宙中传播的时间越长，其波长因宇宙膨胀而被拉伸的程度就越大。

在宇宙中，通常有三种情况会导致红移：

（1）当光源和观察者距离相对较远时；

（2）当发射的光需要爬出巨大的引力势阱时；

（3）当两个物体之间的空间在光的旅程中扩大时。

虽然前两个效应在短距离内可能是显著的，但在最大的宇宙尺度上，只有空间的扩张才具有重大意义。

三角形内角之和取决于空间的曲率。在正曲率（上）、负曲率（中）或平坦（下）的宇宙中，三角形的内角之和分别大于180°、小于180°或等于180°。虽然很容易描述具有正曲率（如上）的曲面是如何受到限制和循环的，但具有非正曲率的曲面也可以受到限制。

宇宙正在膨胀的事实有很多原因，特别是从宇宙的角度来看。这一事实使我们能够推断宇宙的历史，以及我们是如何从一个更热、更稠密、更均匀和更迅速膨胀的状态中诞生的。如果我们能够测量膨胀率随时间的变化，我们也许能够推断出构成宇宙的各种类型的能量及其比例。

此外，如果我们能知道宇宙如何膨胀，它包含了什么，我们就能预测它在遥远的未来将如何膨胀，以及宇宙的最终命运将是什么。

环形几何体是空间平面的一个示例。它既没有正曲率也没有负曲率，但其范围有限。如果你所在的空间本质上是一个圆环，那么一直走，你最终可以回到起点。

那么，这与前面提到的问题有什么关系呢？如果你永远沿着直线穿越宇宙会发生什么？

首先，让我们考虑另一种可能性：如果你总是在一条直线上行进，那是一个不会膨胀的静态宇宙，有什么区别？

在一个静态的宇宙中，一切都取决于已知的和数学上描述的宇宙拓扑结构。爱因斯坦的广义相对论带来的一个重大变化是让人们意识到空间本身不能简单地用由直线组成的三维网格来描述，因为这种描述是刚性和绝对的。

相反，由于物质和能量的存在（或不存在），空间本身必然会弯曲。当物质和/或能量有一个大而过密的集合时，它将导致更大（正）的空间曲率；当物质和能量低于平均水平甚至为负时，就会产生负曲率。

最全面的宇宙微波背景图。宇宙微波背景辐射是宇宙中可以观测到的最古老的光。这张照片向我们展示了宇宙大爆炸38万年后的快照。没有重复的结构，也没有相互识别的区域。这一事实限制了任何重复结构的大小和宇宙的有限属性，使其比现代宇宙的地平线更大。

在广义相对论中，我们生活的时空也可以具有全局结构。你的时空可以是正曲率的，就像一个球体；它也可以是负曲率，比如马鞍；它也可以是平坦的，在最大的总体尺度上既没有正曲率，也没有负曲率。

虽然很容易看出正曲率空间是如何被限制和闭合的，但认识到平面空间也可以被限制和闭合并不是那么直观，但这种情况确实是可能的。

要理解这一点，只需想象一个长而直的圆柱体，然后将圆柱体弯曲成甜甜圈形状，直到两端相连。这种形状被称为圆环，它在空间上是扁平的，但也有局限性和封闭性。

如果宇宙不膨胀，你只能想象以下两种可能性。

（1）宇宙可能是有限的、封闭的，无论其曲率如何。如果你在《方向上》中走得够远，或者在《方向上》中走得够久，你最终会回到起点。即使空间本身在拓扑上很奇怪，比如莫比乌斯带或克莱因瓶，你也可以继续前行，最终回到旅程开始的地方。

（2）宇宙可能是无限的、开放的，与它的曲率无关。无论你走多远，花多长时间，你总会发现你遇到了一个你从未遇到过的“新空间”。没有什么能阻止你，也没有什么能让你回到起点，除非你转身回去。

宇宙的预期命运（前三幅插图）对应的是一个物质和能量一起对抗初始膨胀率的宇宙。在我们观测到的宇宙中，宇宙加速是由某种类型的暗能量引起的，这一点尚未得到解释。如果宇宙的膨胀率继续下降，就像前三种情况一样，你最终可以赶上任何东西。但是如果你的宇宙包含暗能量，情况就不再是这样了。

当我们以各种已知的方式观察宇宙时——包括各种星系、气体和等离子体、恒星辐射、星际物质分子，甚至大爆炸本身——我们正在寻找重复的模式，希望找到证据表明宇宙可能在我们能观察到的范围内受到限制。

事实上，我们唯一一次看到同一天的多源图像是当太空中某处存在巨大的引力质量时，背景光源发出的光被扭曲成多条不同的路径，这些路径可以成功地到达我们的眼睛。尽管这种现象被称为“强引力透镜”，具有非凡的光学和科学意义，但它仅限于非常狭窄的局部角度和天空区域。

然而，我们还没有这么好的运气。事实上，我们已经能够自信地说，在整个宇宙中没有重复的结构，没有任何物体会与我们在另一个方向观察到的物体相同；即使在宇宙的“第一道光”中，我们也没有在两个不同的区域发现完全相同的模式。

但是现在，让我们考虑一个重要而令人不安的现实：宇宙不是静止的，而是膨胀的。更具体地说，宇宙不仅在膨胀，因为它还充满了物质和能量。膨胀时也有重力的作用。我们可以想象，至少在原则上，这意味着我们遥远的未来存在一些可能性。

（1）引力效应可能比宇宙当前的膨胀更强，这意味着宇宙将在一段时间内膨胀，达到最大规模，然后反转方向，开始收缩，甚至以“大崩塌”结束，就像开始时的“大爆炸”；

（2）引力效应可能没有当前宇宙膨胀那么强烈，这意味着宇宙将永远膨胀，尽管膨胀速度可能会继续减慢；

（3）引力效应和初始膨胀可以完美地相互平衡，这意味着膨胀率将以渐近线的形式接近于0，但不会再次反转或崩溃。

在20世纪的大部分时间里，这是宇宙学家考虑的三种主要可能性。对宇宙膨胀率和膨胀历史的探索是为了进一步区分这些选项。

可见宇宙的大小（黄色）和我们能达到的范围（品红）。可见宇宙的极限是461亿光年，因为这是发光物体在距离我们138亿年后到达我们位置的极限。然而，在180亿光年之外，即使我们以光速旅行到一个星系，我们也永远赶不上它。

如果第一个选项描述了我们宇宙的现实，你不能总是沿着直线走，因为宇宙只存在有限的时间，你最终会撞上一堵墙，一堵时间之墙。你总是可以沿着直线旅行，在宇宙再次完全崩塌之前回到起点，但你可能只会享受很短的时间。

如果第二个或第三个选项描述了宇宙的现实，你最终将能够“追赶”太空中的任何星系或物体，甚至那些以极快的速度远离我们的星系或物体。

随着时间的推移，膨胀率将继续下降，逐渐地，越来越多的遥远星系将首次出现在我们的视野中，并最终被一个在同一条直线上移动足够长时间的太空旅行者超越。

如果宇宙是无限的，我们最终可以赶上任何东西；如果宇宙是有限的，我们最终会回到起点。

然而，更重要的问题是，这些场景不足以描述我们的宇宙实际上是如何膨胀的。事实上，暗能量在我们的生活中一直是一种恒定的能量。

即使空间本身在膨胀，暗能量的密度也永远不会降低。因此，膨胀率总是正的，而且是有限的。这极大地改变了我们对宇宙命运的预期，这意味着对于任何靠近但不受银河系引力约束的星系来说，一旦它膨胀超过一定距离，我们将永远赶不上它。

换句话说，银河系将从我们的“触手可及”范围内消失，无论我们朝它的方向行进多长时间，无论我们能达到多近的光速。

不幸的是，这是我们目前能得到的答案。沿着一条直线，你可以在时间上永远旅行，但只能到达可观测宇宙的一小部分。任何超出当前宇宙视界的东西——超出我们现在所能看到的极限——总是超出我们的观察能力。

事实上，今天我们再也不能观测到任何超过180亿光年的东西了。换句话说，在我们能观察到的所有物体中，只有大约6%是可以到达的。每秒钟，数千颗恒星都会被膨胀的宇宙推过这一临界边界，导致它们从“可到达”变为“不可到达”，即使我们现在以光速追逐它们。

尽管有各种各样的可能性来解释宇宙的形状、曲率和拓扑结构，即使你总是沿着直线旅行，你也永远不会回到起点。综合事实如下：

·宇宙正在膨胀；

·暗能量导致膨胀加速；

·大爆炸已经过去了138亿年；

·宇宙不会重复，也不会被限制在小于460亿光年的范围内，这使得我们不可能像绕地球一样绕着宇宙航行。

在非常大的范围内，宇宙实际上可能是有限的。但即便如此，我们也不知道。尽管我们可以随心所欲地在太空旅行；

我们可以想象没有尽头，但宇宙的大部分永远远离我们，越来越远。宇宙地平线限制了我们在膨胀的宇宙中旅行的距离。对我们来说，超过180亿光年之外的物体实际上已经消失了。

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