180亿还是11.5万亿光年？宇宙边界到底在哪？这篇文章讲清楚了

如果你想去尽可能远的太空，你会遇到什么呢？你能走多远是有限制的吗？还是可以旅行无限的距离？你最终会回到起点，还是会继续穿越你以前从未遇到过的空间？换句话说，宇宙有边界吗？如果有，它在哪里？

首先要记住的关键概念是，空间不是人们通常认为的那样。传统上，我们认为空间就像一个坐标系--一个三维网格--其中两点之间的最短距离是一条直线，这个距离不会随着时间的推移而改变。这些定义在日常生活中都是非常好的，但当我们开始关注我们星球以外的更大范围的宇宙时，它们都会失败。对于初学者来说，一旦你开始将质量和能量量子引入宇宙，所谓两点之间最短距离是一条直线的想法就是错误的。

因为时空受制于空间曲率，而物质和能量的存在是导致空间弯曲的原因，所以两点之间的最短距离本质上取决于这两点之间宇宙的形状。除此之外，时空结构本身并不会随着时间的推移而保持静止。在一个充满物质和能量的宇宙中，一个静止不变的宇宙两点距离本质上是不存在的；宇宙必须通过膨胀或收缩来进化。

从观测上看，宇宙正在膨胀的证据是压倒性的：这是对爱因斯坦预测的壮观验证。但这给被宇宙距离隔开的星体带来了一系列后果，这意味着它们之间的距离会随着时间的推移而扩大。今天，我们能看到的最远的天体距离我们超过300亿光年，尽管宇宙大爆炸才发生了138亿年。

经典理论认为，目前的宇宙包括：0.01%的光子形式的辐射；0.1%的中微子，一种难以捉摸的低质量粒子，几乎和光子一样多；4.9%的正常物质，主要由与我们相同的物质组成：质子、中子和电子；27%的暗物质是一种未知物质，它具有引力，但既不发光也不吸收光；还有68%的暗能量，这是太空固有的能量，会导致遥远的物体在远离我们的衰退中加速。大多数人认为，如果宇宙自大爆炸以来已经存在了138亿年，那么我们可以看到的距离的极限将是138亿光年，但这并不完全正确。

只有当宇宙是静止的并且不膨胀时，这才是真的，但事实是这样的：我们看得越远，遥远的星体看起来离我们越快。当我们把所有可用的数据放在一起时，我们可以发现可观测的宇宙最远距离为：461亿光年。然而，这个边界在任何传统意义上都不是宇宙的“边缘”。它根本不是空间的边界；如果我们碰巧位于空间的任何其他点，我们仍然能够探测和观察以这个点为中心的461亿光年球体内我们周围的一切。

这是因为“边缘”是时间的边界，而不是空间的边界。这一边缘代表了我们所能看到的极限，因为在一个由广义相对论支配的不断膨胀的宇宙中，光速的限制也只能允许信号在宇宙138亿年的历史上传播这么远。由于宇宙的膨胀，这个距离超过了138亿光年，但它仍然是有限的。我们可以看到一些很久以前星体已经发出的光，但永远看不到现在正在发出的光。180亿光年之外的光信号，永远不会到达我们身边。

类似地，这意味着如果我们驾驶一艘接近光速的飞船上，可以抵达目前180亿光年半径内的所有星体，即使宇宙继续扩大，这些距离也在继续增加，但也能抵达。然而，超出该范围的星体我们将永远无法到达。即使飞船一直向前飞行，但更远星体的后退速度也会比飞船更快，使我们永远无法造访它们。在可观测的宇宙中，有94%的星系是光速飞船永远不可能抵达的星域。

那么我们不可见的宇宙，到底有多大？回答这个问题的方法是基于我们在试图测量宇宙的空间曲率时所观察到的东西的外推：空间在我们可能观察到的最大尺度上的弯曲量。如果宇宙是正弯曲的，平行线将会聚，三角形的三个角之和将超过180度。如果宇宙是负弯曲的，平行线将会发散，三角形的三个角之和将小于180度。如果宇宙是平的，平行线将保持平行，所有三角形将精确包含180度。

基于这样的理论，我们获取所有信号中最远的光信号，比如大爆炸遗留下来的光。如果宇宙是正向或负向弯曲的，我们观察到的波动模式将最终扭曲，出现在更大或更小的角度尺度上，而不是平坦的宇宙。最终得出的结论是：宇宙接近于完美的平坦空间。如果它是弯曲的，它的水平不超过0.4%，这意味着宇宙像超球体一样弯曲，它的半径至少比我们可以观察到的空间大250倍。

如果你把宇宙的边缘，定义为如果从地球开始旅程，所能到达的最远的物体，那么目前的极限仅仅是180亿光年的距离，仅包括我们可见宇宙体积的6%。如果你把它定义为我们可以观察到的信号的极限，那么这个边缘就会延伸到461亿光年。但是如果你把它定义为不可见宇宙的极限，极限就是它的半径至少是11.5万亿光年，而且可能更大。然而，这并不一定意味着宇宙是无限的。它可以是平的，但仍然可以自己弯曲，数学上称为环状的甜甜圈形状。尽管可以观察到的宇宙很大很广阔，但它仍然是有限的，我们仍然不知道宇宙的终极真相。