宇宙的形状之谜

宇宙究竟是什么形状？这是宇宙学中一个未解决的问题。用数学的语言说就是：“哪一个三维形状才能最准确代表宇宙的空间结构？”

关于宇宙形状的诸多争论

宇宙学研究领域长期以来一直存在著这样的争论：究竟宇宙是球形的、马鞍形的、还是平坦的？目前在国际主流宇宙学看来，宇宙是平坦的无限的。那么，围绕宇宙的争论从何而来？理据何在？

其中一种最为普遍的观点认为：宇宙诞生于大霹雳之后。根据现代宇宙学中最有影响的大霹雳学说，我们的宇宙诞生于大约137亿年前一个非常微小点的爆炸，而目前宇宙仍在膨胀，大量的天文观测也证实了这一假说。

这一观点认为，在诞生初期，宇宙温度非常高；而随著膨胀，宇宙温度开始降低，随后也产生了中子、质子、电子。此后，这些基本粒子就形成了各种元素，透过相互吸引、融合，这些微粒物质逐渐形成了越来越大的团块。这些团块又逐渐演化成恒星、行星。在个别的天体上还出现了生命现象，能够认识宇宙的人类最终才得以诞生。

还有的观点认为，宇宙是球形、有限无边的。这种观点由来已久，尽管在国际宇宙学界并不是主流，但因为奇特，每次提出都会引起人们的关注。美国数学家杰佛瑞·威克斯（Jeffrey Weeks）所构建的宇宙模型就是一个最明显的例子—一个镜子迷宫，大小有限、形状如同足球。“形如足球”的模型震惊了科学界，因为这一学说认为，宇宙之所以产生无边无界的“错觉”，是因为这个有限空间可以无限重复映现自身。宇宙就如同一个镜子迷宫，光线会反复重播，为终让人类产生宇宙在无限延伸的错觉。

宇宙到底什么形状？

尽管有关宇宙形状的争论颇多，但至今仍没有得出确切的结论。

首先，至今还不清楚到底宇宙是不是“平坦空间”，即欧氏几何的空间在大范围内得到遵守。目前，大部分宇宙学家认为已知宇宙基本上是平坦的，除了大质量天体造成的局部时空褶皱，就像水波一样。威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）观测宇宙微波背景辐射的结果也肯定了这一点。

其次，尚未清楚宇宙是否属于多重连接。根据大霹雳理论，宇宙并不存在空间的边界，然而宇宙的空间却可能是有限的。透过二维概念我们可以类推一下：一个球面没有边界，但它的面积是有限的，即4πR2。因此，我们同样可以推论：宇宙可能是一个在三维空间内有固定曲率的二维表面。

数学家黎曼（Bernhard Riemann）曾发现四维空间中一个三维球形的“表面”与此类似，其总体积为有限（2π2R3），但三个方向都弯向第四个维度；除此之外，他还发现了一个“圆柱形空间”和“椭圆空间”，前者的圆柱形两头互相连接，但没有弯曲圆柱本身—这一现象在普通的三维空间是无法想像的，而类似的数学例子不胜枚举。

假若宇宙有限但无边界，那么沿著宇宙中一条任意方向的“直线”，我们最终还会回到出发点，而宇宙的“直径”就是其路线长度。但是，这个直径一定要比我们所见的宇宙部分大得多，是现在人类对宇宙的认识所无法想像的。

透过哈伯望远镜拍摄到的高解析度宇宙深空照片（HDF），我们可以看到姿态年龄各异的银河外星系。人类能看到的最古老星系，在宇宙年龄约8亿年时就已存在，是照片上最小、颜色最红的星系，说明宇宙可能是具有多重连接的拓扑学结构。似乎从某些角度来说，星体和星系应被称作“所观的影像”才合适。因为这些结构如果够小，那么人类就就像身处挂了多面镜子的房间里，可以从不同方位看到同一天体的多个影像，那么天体实际的数量也会比观测所见的少。这个可能性至今没有彻底被否定，但最近的宇宙微波背景辐射研究结果，认为不太可能。

总之，有关宇宙的形状目前还没有确切的结论，还有待科学家继续研究。