利維坦按：先不說(shuō)宇宙的事，我們來(lái)說(shuō)說(shuō)近點(diǎn)兒的——地球。我們現(xiàn)在都知道地球是圓的，而不是幾百年上千年前人們所認(rèn)為的平面。但即便是在哥倫布發(fā)現(xiàn)了新大陸，麥哲倫在地球上走了一圈之后的現(xiàn)在，依舊有不少人相信地球是平的。國(guó)際地平說(shuō)學(xué)會(huì)至今仍存在于世，有著大概500個(gè)會(huì)員。
而在標(biāo)題所示的這個(gè)問(wèn)題上，我們依舊面臨著類(lèi)似的分歧——宇宙是什么形狀的（環(huán)狀的還是圓的）？又是否會(huì)有邊界（想象一下地球的“有限無(wú)界”）？這問(wèn)題確實(shí)太難了……
文/Daniel Kolitz
譯/燃料鼠
校對(duì)/何里活
原文/gizmodo.com/whats-at-the-edge-of-the-universe-1832646812
本文基于創(chuàng)作共同協(xié)議（BY-NC），由燃料鼠在利維坦發(fā)布
文章僅為作者觀(guān)點(diǎn)，未必代表利維坦立場(chǎng)
都2019年了，單純把火箭發(fā)射到外太空已經(jīng)不再能滿(mǎn)足人們的幻想，人類(lèi)對(duì)于探索宇宙邊界的情緒正在變成一種急迫的期待，而那些日常瑣事，比如壞天氣、擁擠的地鐵，或者擔(dān)心一下自己的大腿會(huì)不會(huì)發(fā)生癌變，無(wú)聊的地球生活正在催生熱血的太空夢(mèng)。
但是在宇宙的邊界，到底有什么東西在等著你呢？當(dāng)我們討論這個(gè)宇宙邊界，它到底是一種邊界線(xiàn)呢，還是一個(gè)大到無(wú)法想象的天花板呢？或者，無(wú)論是邊緣還是天花板，它真的存在嗎？在本周的“Giz問(wèn)答”欄目中，我們找來(lái)幾位面向宇宙學(xué)的物理學(xué)家，希望和他們一起找到答案。
肖恩·卡羅爾（Sean Carroll）
加州理工學(xué)院物理系研究教授，他的研究的領(lǐng)域包括量子機(jī)械學(xué)、引力、宇宙學(xué)、統(tǒng)計(jì)力學(xué)以及基礎(chǔ)物理學(xué)。
據(jù)我們所知，宇宙不存在邊界。宇宙倒是有一個(gè)可以被觀(guān)察的邊界——也就是說(shuō)，我們能看多遠(yuǎn)是有極限的。這是因?yàn)楣饩哂幸粋€(gè)有限傳播速度（1光年/年），因此當(dāng)我們觀(guān)看遙遠(yuǎn)的物體，我們也是在回看古老的時(shí)空。而所謂極限就是，我們幾乎能看到將近140億年之前發(fā)生的事情，也就是宇宙大爆炸殘余的輻射。這就是從四面八方包圍著我們的宇宙微波背景（Cosmic Microwave Background）。然而，這并不是通常所說(shuō)的，看得見(jiàn)摸得著的“邊界”。
圖源：Futura-Sciences
因?yàn)槲覀兛捎^(guān)察到的范圍有限，所以我們還無(wú)法確定在可觀(guān)測(cè)宇宙（Observable Universe）之外宇宙空間的樣子。在我們可見(jiàn)的范圍內(nèi)，宇宙空間的狀態(tài)非常均衡，也許在幾乎接近永恒的時(shí)光中，它將繼續(xù)保持這副樣子。宇宙的樣子要么是像一個(gè)三維的球體，要么是像一個(gè)三維的面包圈那樣包裹起來(lái)。如果這一點(diǎn)是正確的，宇宙的總體積就是有限的，但它仍然不存在邊界，就像一個(gè)圓環(huán)是沒(méi)有起點(diǎn)或終點(diǎn)的。
然而在我們可見(jiàn)的范圍以外，宇宙可能并不是均衡的，在不同的位置其狀態(tài)可能大相徑庭。這一可能性就是宇宙學(xué)中的多重宇宙論（Multiverse）。我們并不確定多重宇宙是否存在，但正因?yàn)槲覀儫o(wú)論如何都無(wú)法用肉眼觀(guān)測(cè)，對(duì)這一概念保持開(kāi)放的心態(tài)還是比較理智的。
“因?yàn)槲覀兛捎^(guān)察到的范圍有限，
因此我們也無(wú)法確定在我們可觀(guān)察的宇宙之外事物的樣貌。
我們可見(jiàn)的宇宙的狀態(tài)非常均衡，
也許在幾乎接近永恒的時(shí)光中，
它都將繼續(xù)保持這副樣子。”
圖源：hssszn.com
喬·鄧克利（Jo Dunkley）
普林斯頓大學(xué)物理與天體物理學(xué)教授，她的研究領(lǐng)域包括宇宙的起源與進(jìn)化。
真是老生常談，又不得不談的問(wèn)題！
好吧，我們并不認(rèn)為宇宙存在一個(gè)特定邊界。我們認(rèn)為宇宙要么是向四面八方無(wú)限延展的，要么它是自我包圍的，但仍然不存在邊界。就像一個(gè)甜甜圈的那層表面：它沒(méi)有邊緣。宇宙的樣子可能和它很像，但宇宙是三維的，而甜甜圈的表面是二維的。所謂沒(méi)有邊界，意味著你可以向宇宙的任意方向發(fā)射一枚火箭，如果你在宇宙中前進(jìn)得足夠久，最終你會(huì)回到起點(diǎn)。
關(guān)于邊界還有一個(gè)概念是可觀(guān)測(cè)宇宙，指的是我們能用肉眼看到的宇宙空間。在這一可被觀(guān)測(cè)的邊界之外，宇宙大爆炸以來(lái)產(chǎn)生的光甚至都來(lái)不及到達(dá)我們所在的位置。而這一邊界只是我們能看到范圍的極限，在邊界以外的宇宙，也許正如我們周?chē)芸吹降挠钪妫阂粋€(gè)個(gè)星系的超級(jí)集群，而且每一個(gè)星系中都包含數(shù)十億顆恒星、行星。
“我們認(rèn)為宇宙要么是向四面八方無(wú)限延展的，
要么它是自我包圍的，但仍然不存在邊界。
就像一個(gè)甜甜圈的那層表面：它沒(méi)有邊緣。
宇宙的樣子可能和它很像，但宇宙是三維的，
而甜甜圈的表面是二維的?！?/em>
杰西·謝爾頓（Jessie Shelton）
伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校物理與天文學(xué)助理教授，她的研究包括天體物理學(xué)以及宇宙學(xué)。
這個(gè)話(huà)題的內(nèi)容取決于你對(duì)“宇宙邊界”的定義到底是什么。因?yàn)楣獾膫鞑ニ俣扔邢?，?dāng)我們望向宇宙的更遠(yuǎn)處，也是在回看時(shí)光的更深處——哪怕當(dāng)我們看著隔壁星系仙女星座，我們看到的也不是此時(shí)此刻它的樣貌，而是250萬(wàn)年前的情況，那時(shí)仙女星座中恒星發(fā)出的光，直到今天才被我們的望遠(yuǎn)鏡看到。我們能看到古老的光線(xiàn)，也是來(lái)自最遙遠(yuǎn)的遠(yuǎn)方，所以從某種意義上講，所謂宇宙的邊界，就是當(dāng)最古老的光線(xiàn)到達(dá)我們時(shí)，我們所看到的景象。
這就是存在于宇宙空間中的宇宙微波背景（Cosmic Microwave Background）——那是宇宙大爆炸留下的微弱余暉，標(biāo)志著宇宙從那時(shí)起已經(jīng)冷卻到足以形成原子。我們?nèi)庋鬯暗倪@個(gè)極限，又被稱(chēng)為臨界最后散射面（Surface of Last Scattering），它標(biāo)志著光子最初從粒子之間的空隙流出的那個(gè)時(shí)刻。自那一瞬間起，光子不再是電離狀態(tài)的高熱等離子體，只能在電子與電子之間像乒乓球那樣彈跳。而在那一瞬間之后，這些光子傳播了數(shù)十億光年終于到達(dá)地球。因此，你可以說(shuō)宇宙的邊界就是臨界最后散射面。
仙女座星系是一個(gè)螺旋星系，距離地球大約250萬(wàn)光年，是除麥哲倫云（地球所在的銀河系的伴星系）以外最近的星系。圖源：維基
那么此時(shí)此刻，宇宙的邊界有些什么東西？對(duì)此我們并不知道——我們也無(wú)法知道，我們必須等到那些地方發(fā)出光來(lái)，然后經(jīng)歷數(shù)十億年后終于抵達(dá)我們所在的位置，由于宇宙擴(kuò)張的速度正在變得越來(lái)越快，那些光也許根本無(wú)法抵達(dá)這里——但是，對(duì)此我們至少可以猜個(gè)大概。
如果用最宏大的尺度觀(guān)看，我們無(wú)論向宇宙的任何方向觀(guān)察，所看到的景象都差不多。因此，如果你在地球人的可觀(guān)測(cè)宇宙的邊界，向邊界的另一邊望去，你所見(jiàn)到的景象，很可能就是一個(gè)和我們已知宇宙差不多的又一個(gè)宇宙，每個(gè)方向都充滿(mǎn)了大大小小的星系。因此，對(duì)于“宇宙邊緣有什么”的最佳猜測(cè)也很簡(jiǎn)單，那里只不過(guò)還有更多的宇宙罷了，更多的星系，更多的星球，也許還有更多的生命體疑惑著同樣的問(wèn)題。
“從某種意義上講，
所謂宇宙的邊界，
就是當(dāng)最古老的光線(xiàn)到達(dá)我們時(shí)，
我們眼中所看到的景象?！?/em>
邁克爾·特羅克塞（Michael Troxel）
杜克大學(xué)物理系助理教授，他的研究范圍包括觀(guān)測(cè)宇宙學(xué)及理論宇宙學(xué)。
盡管宇宙很可能在大小上是無(wú)限的，但它可能有不止一個(gè)“邊界”。
我們認(rèn)為宇宙是無(wú)限的——這是指它不具有任何邊緣。如果宇宙是“平坦?fàn)睢钡模?lèi)似紙張），或者“開(kāi)放曲面狀”的（類(lèi)似馬鞍）——正如我們以高百分比精度所測(cè)量的那樣，那么它就是無(wú)窮大的。如果宇宙是“閉合狀”的，那么它就不是無(wú)窮大的。
但無(wú)論其外觀(guān)如何，如果你沿著宇宙的一個(gè)方向前進(jìn)得足夠遠(yuǎn)，你最終會(huì)回到起點(diǎn)——關(guān)于這一點(diǎn)，可以想象是在一個(gè)球體的表面運(yùn)動(dòng)。就像霍比特人比爾博·巴金斯（Bilbo Baggins）的那兩句歌詞中唱的，“這條路將永遠(yuǎn)延伸下去，從那扇門(mén)開(kāi)始永遠(yuǎn)延伸（The Road goes ever on and on/Down from the door where it began）?！辈粌H永遠(yuǎn)延伸，還周而復(fù)始。
圖源：Daily Express
盡管宇宙的形態(tài)是無(wú)限的，但它仍然具有邊界——而且還有兩個(gè)邊界。由于廣義相對(duì)論指出宇宙中所有物質(zhì)（包括光）的速度都有上限——大概是每小時(shí)6.7億英里——而且宇宙任意一點(diǎn)的物質(zhì)都具有同樣的極限速度。根據(jù)我們的觀(guān)測(cè)，宇宙正在向每一個(gè)方向擴(kuò)張，而且隨著時(shí)間推移，其擴(kuò)張速度還在增加。
這些事實(shí)意味著，當(dāng)我們觀(guān)察一個(gè)非常遙遠(yuǎn)的物體時(shí)，來(lái)自這一物體的光需要花費(fèi)一定時(shí)間才能到達(dá)我們的位置（也就是距離除以光速）。然而麻煩的是，就在這些光線(xiàn)傳播時(shí)，宇宙也在不停擴(kuò)張，因此這些光線(xiàn)為了接觸到我們所必須穿越的距離其實(shí)在不斷增加。
你可能等不及要問(wèn)，如果宇宙誕生那一瞬間開(kāi)始傳播的光終于到達(dá)了地球（大約是137億年前的光），我們能觀(guān)測(cè)到的來(lái)自最遙遠(yuǎn)地方的物體是什么東西？那是距離我們大約470億光年以外的事物（1光年的長(zhǎng)度是地球與太陽(yáng)之間距離的大約63241倍），它被稱(chēng)為“宇宙視界（Comoving Horizon）”。所謂邊界是什么，你也可以稍微改變一下問(wèn)法，得到另一個(gè)答案。如果我們以光速發(fā)出一條信息，那這條信息最遠(yuǎn)可以傳播到哪里的星球上，被那里的生命體接收呢？這個(gè)問(wèn)題將更加有趣，因?yàn)槲磥?lái)宇宙的擴(kuò)張速度將越來(lái)越快（而不是像過(guò)去那樣曾經(jīng)減慢過(guò)）。
結(jié)論是，就算這條信息可以永久傳播下去，它最遠(yuǎn)也只能觸及到此時(shí)此刻距離我們160光年以外的生命體。相比之下，我們?nèi)庋劭梢?jiàn)最遠(yuǎn)的行星大約不過(guò)2.5萬(wàn)光年以外，目前我們還有機(jī)會(huì)向宇宙中那些疑似有外星人的地方打個(gè)招呼。目前人類(lèi)的探測(cè)望遠(yuǎn)鏡已確認(rèn)最遙遠(yuǎn)的星系與我們相距大約133億光年，所以我們還無(wú)法看到任何“宇宙邊界”的樣子，也沒(méi)有人確切知道任何一處邊界有什么。
“如果你沿著宇宙的一個(gè)方向前進(jìn)得足夠遠(yuǎn)，
你最終會(huì)回到起點(diǎn)?！?/em>
圖源：ASU Events
阿比蓋爾·維雷格（Abigail Vieregg）
芝加哥大學(xué)卡夫利宇宙物理學(xué)研究所助理教授。
我們可以借助地球上的望遠(yuǎn)鏡看到宇宙深處傳來(lái)的光線(xiàn)。光源距離我們?cè)竭h(yuǎn)，光線(xiàn)觸及我們所需的時(shí)間也就越久。因此，當(dāng)你看著極其遙遠(yuǎn)的地方，你所見(jiàn)到的是那束光誕生之時(shí)那里的樣子——而非此時(shí)此刻那里的模樣。觀(guān)測(cè)得越來(lái)越遙遠(yuǎn)，相應(yīng)地，也就是回溯得越來(lái)越久遠(yuǎn)，直到你終于觀(guān)測(cè)到一個(gè)盡頭，那個(gè)地方大約誕生于宇宙大爆炸發(fā)生后幾百上千年之后。在宇宙大爆炸之前，宇宙又熱又濃稠（那時(shí)還沒(méi)有星星或者星系），那時(shí)宇宙中的光只是到處彈射，無(wú)法被我們今天的望遠(yuǎn)鏡觀(guān)測(cè)到。而我們能觀(guān)測(cè)到的盡頭就是所謂可觀(guān)測(cè)宇宙——有時(shí)也被稱(chēng)為視界——因?yàn)槲覀儫o(wú)法看到這一邊界之外有什么。隨著時(shí)間推移，這一邊界也在變化。
如果你站在宇宙中任意一個(gè)行星上觀(guān)察宇宙，你所見(jiàn)到的宇宙也許和我們從地球上看到的宇宙大同小異：在宇宙中，視界之所以有極限，究其根本是因?yàn)橛钪娲蟊ㄩ_(kāi)始至今，消逝的時(shí)光是有限的，而光的傳播速度同樣有限，另外，宇宙整體也在持續(xù)擴(kuò)張中。
就在此時(shí)此刻，如果以地球?yàn)橹行模钪嬉暯绲倪吘壙雌饋?lái)是什么模樣？遺憾的是，對(duì)此我們一無(wú)所知，因?yàn)槲覀冎荒芸吹接钪娲蟊ú痪煤笠暯邕吘壈l(fā)生了什么，而無(wú)法看到此時(shí)此刻那里發(fā)生了什么。然而，通過(guò)觀(guān)測(cè)所有我們能探測(cè)到的宇宙空間，包括可觀(guān)測(cè)宇宙的邊緣，所有這些空間看起來(lái)都像極了我們所在的宇宙空間：充滿(mǎn)星星、星系、星系的集群，以及大片大片的空白。
我們認(rèn)為宇宙的整體比我們周?chē)@個(gè)恰好可以被地球人觀(guān)測(cè)到的宇宙空間要大得多，而且宇宙本身不存在“邊界”。宇宙只不過(guò)是時(shí)間和空間，它每時(shí)每刻都在消逝、擴(kuò)張。
“通過(guò)觀(guān)測(cè)所有我們能探測(cè)到的宇宙空間，
包括可觀(guān)測(cè)宇宙的邊緣在內(nèi)，
所有這些空間看起來(lái)像極了我們所在的宇宙空間：
充滿(mǎn)星星、星系、星系的集群，以及大片大片的空白?！?/em>
圖源：Quanta Magazine
亞瑟·B·科索斯基（Arthur B. Kosowsky）
匹茲堡大學(xué)物理系教授，他的研究領(lǐng)域包括宇宙學(xué)及相關(guān)的理論物理學(xué)。
宇宙最基本的屬性之一就是它的年齡，通過(guò)各種測(cè)量手段我們目前判斷大約是137億年。因?yàn)槲覀冞€確定光的傳播速度是不變的，也就意味著在宇宙誕生之初的一束光直至今天所穿越的距離也是恒定的，這被稱(chēng)為“視界距離（Horizon Distance）”或者“哈勃距離（Hubble Distance）”。原則上，由于沒(méi)有哪樣物質(zhì)的速度能超越光的傳播速度，因此哈勃距離就是我們所能觀(guān)測(cè)到最遠(yuǎn)的距離。（除非人類(lèi)能找到下一個(gè)相對(duì)論?。?/strong>
從哈勃距離以外的光源所發(fā)出的，且最終觸及我們的光，就是所謂的宇宙微波背景。據(jù)我們所知，即使在哈勃距離之外，宇宙微波背景的源頭也并非宇宙的“盡頭”。因此，我們通常會(huì)假設(shè)宇宙比起我們可觀(guān)測(cè)到的所謂哈勃體積（Hubble Volume）要大得多，而且就算宇宙存在任何邊界、盡頭，它們的位置也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)我們能觀(guān)測(cè)到的范圍。當(dāng)然了，“哈勃距離之外的什么地方也許存在著宇宙的盡頭，盡頭之外到處是海怪，”這種鬼話(huà)想想也知道是不可能的。不過(guò)我們所觀(guān)測(cè)到的所有宇宙空間看上去都很相似，而且相當(dāng)均勻，這也是一個(gè)很奇怪的現(xiàn)象。
圖源：NASA / Hubble團(tuán)隊(duì)
總而言之，對(duì)于宇宙邊緣的問(wèn)題我們也許永遠(yuǎn)找不到一個(gè)好答案：也許宇宙根本就沒(méi)有邊緣，就算有，這個(gè)邊緣也實(shí)在太過(guò)于遙遠(yuǎn)，即使經(jīng)過(guò)了宇宙目前為止全部的壽命，從那里發(fā)出的光還沒(méi)到達(dá)我們所在的位置。我們還是努力搞清楚目前能觀(guān)測(cè)到的這一部分宇宙吧，目前人類(lèi)也不得不接受這一局限了。
“‘哈勃距離之外的什么地方也許存在著宇宙的盡頭，
盡頭之外到處是海怪，’
這種鬼話(huà)想想也知道是不可能的。
不過(guò)我們所觀(guān)測(cè)到的所有宇宙空間看上去都很相似，
而且相當(dāng)均勻，
這也是一個(gè)很奇怪的現(xiàn)象。”
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