五位學者小議：宇宙是否有盡頭？_風聞

“宇宙是否有盡頭，時間是否有長短……”，來自影視台詞中的問題正是目前科學家所困惑的。宇宙是無限的嗎？我們現在依然無法給出確切的答案。一些物理學家提出了宇宙的幾何形狀是閉合的甜甜圈，以此認為宇宙是有限的。而另一些學者相信快速暴漲的概念，我們只能在可觀測宇宙中瞭解物質與存在的概念。本文五位學者，包括天文學家、科學哲學家、科學史家對宇宙是否是無限的給出了自己想法。

撰文丨Noor Gillani

編譯丨田芳

我們已經知道宇宙在膨脹，但是近些年來研究發現膨脹的速度遠超過我們的預期。

儘管望遠鏡和衞星技術有了很大的突破，但是人們認為宇宙中仍有很多事物遠在我們的視線之外，超出了所謂的可觀測宇宙（observable universe)。

這也意味着我們還不確定整個宇宙的形狀——究竟它是一個閉合的宇宙“甜甜圈（doughnut）”，還是像一張無窮大的紙一樣延伸的平面，或者是一個不斷膨脹的巨大球體？

宇宙學家經常提到沒有邊緣和頂點的甜甜圈——類環結構。環狀是很重要的數學結構。

科學家想要了解空間的盡頭以及那裏可能的樣子。他們是如何看待宇宙的命運，它會永遠膨脹嗎？我們採訪了五位科學家，似乎還沒有確定的的結論。

以下是他們回答。

Anna Moore（澳大利亞國立大學空間研究所教授，天文學家）：可能

簡而言之是，“我們不知道宇宙是否有限”。我們知道可觀測宇宙——我們可以明顯看見和測量的部分——起源於138億年前的大爆炸。所以我們知道宇宙的年齡是有限的，至少可以從大爆炸時期算起。但是宇宙現在變得越來越大。從大爆炸時期以來，它就開始從各個方向膨脹，現在仍在繼續（近來膨脹的速度越來越快）。

大爆炸的殘餘輻射，被稱作“宇宙微波背景輻射（cosmic microwave background）”，代表了更小、更熾熱、更緻密的宇宙的最早期圖像。我們可以從早期的圖像來理解最大尺度的宇宙的形狀（或者幾何形狀）。知道這點對於我們瞭解宇宙是無限的還是有限的非常重要。

衞星的探測結果表明，宇宙具有平坦的幾何形狀。在平坦的宇宙中，兩束並排射入空間的光束將永遠保持平行，不會相交也不會遠離。這樣來看，我們仍然可以將圓筒或者圓環（甜甜圈）形狀的宇宙視為“平坦的”。

目前的探測技術還不夠精確，無法讓我們知道宇宙的平面幾何結構是否可以由一張紙、一個圓筒、環面還是任何其他允許兩束光平行通過的結構來表示。一個無限的宇宙可能是像一張紙一樣的平坦幾何形狀，將永遠延伸下去幷包含一切的可能性，比如我們自己的無窮版本。另一方面來講，一個甜甜圈形狀的宇宙將必須是有限的，因為它是閉合的。但是目前為止，我們仍然不知道宇宙的形狀，也不知道它的大小。

Sara Webb （斯威本科技大學天體物理學博士生）：是的

我相信宇宙是無限的。我們知道宇宙起源於大爆炸。從觀測來看，我們還不知道在哪裏起源，但大爆炸發生了。不論你在宇宙的哪裏（在銀河系或者很遙遠的地方），宇宙以你為中心向各個方膨脹。現在我們計算出宇宙有大約138億年的歷史了，意味着已經膨脹了很多。所以從邏輯上來講，我們可以估計宇宙的半徑為138億光年，對嗎？

但是可觀測宇宙的半徑事實上有460億光年，這意味着我們可以看到的第一束光（大爆炸後38萬年）來自460億光年之外的距離。這是由於所謂的“快速暴漲（rapid inflation）”。然而，我們沒有理由認為可觀測宇宙的邊緣就是實際宇宙的邊緣。

我們傾向於事物具有三維形狀，如球體、立方體或者錐體等。我們可以把宇宙想象成一個無限膨脹的球體。或者它可能以一種使自己成為閉合系統（甜甜圈）的方式彎曲，在這個系統裏你可以沿着直線航行足夠遠，而最終會返回到你出發的地方——宇宙是有限的。

但是我傾向於另外一種可能性，即大爆炸之後的暴漲。有一個理論認為，暴漲實際上是永恆的暴漲，這意味着它總是發生在這裏或者那裏，使得宇宙是無限的。這就要深入研究量子漲落甚至多重宇宙那樣難以想象的理論。作為科幻愛好者，我怎麼可能不希望它是真的呢？

Tanya Hill （墨爾本大學名譽研究員，維多利亞博物館高級策展人，天文學家）：是的

我們能看到的宇宙是有限的。可觀測宇宙是有限的，它不會永遠存在。它在我們周圍延伸至460億光年（雖然我們的宇宙有138億年的歷史，隨着宇宙正在膨脹，可觀測宇宙的範圍更廣）。

可觀測宇宙是以我們為中心的。遙遠星系中的外星人也可以擁有以它們自己為中心的可觀測宇宙。雖然這些不同中心的可觀測宇宙可能會有一些重疊，但是也不可避免地會存在一些我們所看不到的區域。因此，我們不可能説宇宙是否有限，因為我們不能完整地看到它。相反，我們通過探索宇宙的形狀來解決這個問題。儘管我們不知道整個宇宙的形狀，但是我們知道以我們為中心的宇宙部分是平坦的。這意味着在巡航控制下平行飛行的兩枚火箭將始終保持平行。因為空間不會彎曲，火箭也永遠不會相遇或者遠離彼此。

一個平坦的宇宙可能是無限的，比如一張永遠延伸的二維紙張。但它也有可能是有限的，比如用一張紙做成一個圓柱體，並將兩端連接起來形成一個甜甜圈。這就是問題所在。

此外，宇宙可能有很多種彎曲的方式，但是我們生活在一個平坦的區域。這是一種非常特別的情況，我們用“暴漲”理論來解釋。暴漲就是宇宙在很早期的時候在短時間內迅速膨脹，解釋了我們空間中所有的扭結（kinks）和曲率（curvature）。暴漲階段之後，宇宙變成了我們今天看到的樣子。但是暴漲可能不止對我們的宇宙有影響,也許它也發生在別的地方,而且正在發生。這會使得整個宇宙有多大，甚至是多重宇宙有多大？在我看來，它開闢了某種可能性，無限的宇宙比有限的宇宙更容易被想象。

Sam Baron （澳大利亞天主教大學副教授，科學哲學家 ）：不是

有一個約定俗成的觀點就是假設空間是無限的，但是我認為這是錯誤的。它大概這樣表述：如果宇宙是有限的，那麼它一定會有邊界。但是想象一下，你駕駛宇宙飛船飛向遙遠的宇宙深處，結果你發現了宇宙的邊界，那簡直是不可思議的——邊界會是什麼樣子？因此，宇宙必須永遠延伸下去。

但是還存在別的方式可以讓空間是有限的。它可能是一個環面，空間上有限但是沒有邊界，就像一個宇宙甜甜圈。如果宇宙是甜甜圈形狀的，那麼要有一個非常科學的測試來檢驗宇宙是否是有限的。

假設你將一束光瞄準非常遠的反射面。如果反射面的表面不平整，這束光將會被反射到多個方向。如果宇宙是甜甜圈形狀的，反射光線將會隨着宇宙的形狀逐漸彎曲，最終會繞回來並相交（如下圖所示）。這種情況只發生在宇宙有限的條件下。在無限的宇宙中，光線將會無限傳播下去。

現在假設你站在光線相交的地方。你轉身看去，看到了那個反射光線的物體；如果你轉向另一側，你還是看到了同一個物體，此時光線來自不同的角度。如果反射物是一顆遙遠的行星，你因此可以看到同一顆行星兩次。科學家們已經開始在大爆炸留下的昏暗光芒中尋找這種鏡廳效應（hall of mirros effect）。它或許可以證明宇宙的大小和形狀。雖然還沒有發現任何確鑿的結論，但是人類不斷探索，誰知道又我們可以揭示什麼呢？

一個檢驗空間是否有限的測試：如果我們從一個物體反射光，兩次看到反射物；那麼我們生活的空間可能是有限的和彎曲的！

Kevin Orrman-Rossiter （墨爾本大學科學史與科學哲學博士研究生）：不是

説到“無限”，我們通常指的是無邊界或者無窮盡的事物。我的觀點是宇宙是有限的。為了論證這一點，要先暫時假設宇宙是無限的。一個很簡單的例子，我乘坐宇宙飛船向任意方向出發，永遠不會到達邊界。但是這個實驗就存在一個問題：我可能需要飛行無限長的時間來確保“再遠一點”就沒有邊界了，而以什麼樣的速度行駛並不重要。為了證明空宇宙是無限的假設，我的航程需要是無限的。顯然，目前沒有多少機構來會來資助這樣的實驗。

這表明，為了論證宇宙是無限的，我們必須通過觀測而不是直接的實驗。在上個世紀，我們通過觀測對宇宙有了很多的瞭解。我們知道，宇宙起源於大概138億年前。從觀測中，我們也知道宇宙正在膨脹。我們已經探測到了微波背景輻射——被認為是大爆炸時期的殘餘輻射。我們今天看到的宇宙是一個緩慢膨脹的星系網。

宇宙學中的一個關鍵問題就是這種膨脹是否會繼續，是否會改變速度，是否可以逆轉。回答這個問題就需要對暗物質和暗能量的性質進行了解。

有趣的一點是，不論宇宙的模型如何（這裏仍然有非常重要的缺失），目前的宇宙學思想就是，宇宙會有一個終結，它不會永遠存在。宇宙在時間上的存在是有限的，由此回到我的論點，我建議在某個階段結束我們的宇宙航行。

參考資料

1. https://www.space.com/33892-cosmic-microwave-background.html

2. https://www.quantamagazine.org/what-shape-is-the-universe-closed-or-flat-20191104

3. https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2017/10/14/ask-ethan-is-the-universe-finite-or-infinite/?sh=7429ea2d4967

4. https://www.space.com/31465-is-our-universe-just-one-of-many-in-a-multiverse.html

5. https://www.nature.com/articles/news.2008.854

6. https://www.newscientist.com/article/dn4250-tantalising-evidence-hints-universe-is-finite/

7. https://press.princeton.edu/books/hardcover/9780691196022/cosmologys-century

原文鏈接：https://theconversation.com/more-than-70-of-the-universe-is-made-of-dark-energy-the-mysterious-stuff-even-stranger-than-dark-matter-131569