科學(xué)家們對宇宙的看法就像前任的承諾——總在變化

古人的幻想與現(xiàn)代的現(xiàn)實

公元前的某天，一位名叫盧克萊修（Lucretius）的希臘哲學(xué)家想證明宇宙是無限的。他提出了一個足夠簡單的思想實驗：假設(shè)有個勇士站在宇宙的"邊緣"，手持一把長矛用力一擲。

如果這長矛飛出去，它要么撞到什么，要么繼續(xù)飛。撞到東西？那東西就在"宇宙之外"——這不就自相矛盾了嗎？宇宙邊界必然再往外推一點。按照這種推理，他斷定宇宙必須是無限的。

邏輯上似乎完美，對吧？別急，雖然聽起來有道理，實際上卻漏洞百出。

與此同時，亞里士多德和托勒密這兩位天文學(xué)界的大佬持反對意見，他們提出了一個更像洋蔥的宇宙模型——以地球為中心的同心球體。亞里士多德認為，如果星星無限遠，它們不可能在24小時內(nèi)繞地球旋轉(zhuǎn)一周。托勒密讓這個地心說模型勉強工作起來，而他們的論點成為了整個中世紀基督教宇宙觀的基礎(chǔ)。

中世紀神學(xué)家的意外前衛(wèi)思想

跳到15世紀，來自德國的尼古拉·庫薩（Nicholas of Cusa，1401-1464）開始挑戰(zhàn)這一觀點。雖然他心里還是認為地球是中心，但他卻大膽主張宇宙中的一切都在運動，包括地球，而且沒有明確的中心點。

更驚人的是，這位身為主教的庫薩宣稱，即使是"最外層的球體"也不是有限的邊界。因此，宇宙必須是無限的。他甚至認為，其他有人居住的世界可能會將地球視為宇宙邊緣附近的某處。這種想法比哥白尼早了整整一個世紀，預(yù)示了現(xiàn)代版的"哥白尼原理"——宇宙中沒有特殊的地方。

有趣的是，庫薩因為這些想法并沒有遭到教會的迫害。事實上，他是一位偶爾挑戰(zhàn)教皇權(quán)威的主教，暗示紅衣主教團應(yīng)該凌駕于教皇之上。

不過，他最終改變了立場，成為教皇庇護二世的顧問。（這位老兄顯然深諳職場政治。）

布魯諾：選錯了戰(zhàn)場的科學(xué)烈士

后來，喬爾達諾·布魯諾（Giordano Bruno）繼承了庫薩的思想，但是，當(dāng)庫薩將其視為形而上學(xué)的沉思時，布魯諾卻將其用來試圖動搖基督教對主權(quán)和全能上帝的信仰。因此，不出意外，他們的命運截然不同。

布魯諾被以異端罪燒死在火刑柱上。

十年前熱播的紀錄片《宇宙》的重啟版中，安·德魯揚（Ann Druyan）和尼爾·德格拉斯·泰森（Neil Degrasse Tyson，把冥王星“踢”出太陽系的男人）對布魯諾的專題進行了修正主義的歷史表述，試圖將他描繪成科學(xué)的烈士。

雖然這是對他的指控之一，但他相信多重世界和無限宇宙的觀點與他的處決幾乎沒有關(guān)系。

愛因斯坦：重新定義游戲規(guī)則

無論如何，盧克萊修或庫薩的論點都沒有預(yù)見到愛因斯坦將引發(fā)的革命。

例如，當(dāng)你注意到宇宙可能有許多形狀是有限但無界的時，盧克萊修的論點就完全站不住腳了。又例如，球體或環(huán)面會允許長矛在不遇到任何障礙的情況下旅行，但不允許無限宇宙的存在。

當(dāng)然，古希臘人知道地球是個球體，但他們從未期望宇宙也可能是一個球體，因為他們沒有高維曲面空間的概念。就像試圖向一條魚解釋空氣一樣——因為它的整個概念框架都缺失了。

愛因斯坦的廣義相對論證明了空間和時間是有形狀的，這揭示了盧克萊修未說出口的假設(shè)——宇宙不是彎曲的。而庫薩關(guān)于宇宙中沒有特殊點的概念同樣可以發(fā)生在有限和無限的宇宙中。

現(xiàn)代證據(jù)：傾向于無限

目前，我們不知道宇宙是有限還是無限，也不知道它是否無界。但是，有充分的理由相信宇宙在空間上是無限的。

原因是證據(jù)最符合一個是德西特空間（de Sitter space）的宇宙。德西特空間具有恒定的曲率，很像球體，但與球體不同，它的形狀是雙曲線的。

我們的宇宙是德西特空間的證據(jù)包括：

1. 1990年代對Ia型超新星的觀測表明宇宙正在加速膨脹。這只會在宇宙學(xué)常數(shù)為正的情況下發(fā)生，這與德西特空間一致。簡單地說，宇宙不僅在擴張，而且擴張速度還在加快。
2. WMAP和普朗克衛(wèi)星對宇宙微波背景（CMB）的測量也表明了德西特宇宙。如果不是這樣，我們會看到背景中的某些各向異性（空間在不同方向上不同），但我們沒看到這種情況。
3. 暗能量的最簡單解釋，這被認為是宇宙在空間上平坦的原因，就是它只是恒定的曲率，實際上沒有任何物質(zhì)或能量導(dǎo)致這種情況。這有點像你從地球的一部分到另一部分時，你沿著彎曲的路徑前進，是因為地球是彎曲的，而不是因為有額外的力量把你拉向那個方向。
4. 星系分布和宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)與宇宙學(xué)常數(shù)一致。
5. 暴脹理論，這是關(guān)于宇宙如何開始的主要理論，其中宇宙在最初的微微一秒內(nèi)極度快速膨脹，暗示了宇宙朝著德西特狀態(tài)演化。
6. 全息原理，這是許多物理學(xué)領(lǐng)域的強大但未經(jīng)證實的原理，包括黑洞熱力學(xué)和量子引力的德西特-共形場理論對應(yīng)，支持德西特空間，這基于反德西特-共形場理論對應(yīng)的成功的平行關(guān)系。

雖然我們不確定我們生活在德西特空間中，但根據(jù)我們最好的模型，它似乎接近于德西特空間。如果宇宙是真正的德西特空間，那么這意味著它不僅在空間上無界，而且是無限的，因為最簡單的德西特空間就是無限的。

平坦還是彎曲？無限還是有限？

德西特空間可以有封閉或開放的空間切片，所以問題并沒有完全得到回答。例如，在量子引力中，通常用封閉的空間切片來表示德西特空間，這些切片都是超球面。

然而，根據(jù)我們最好的觀察，至少看起來我們的宇宙在空間上是平坦的，這意味著切片是開放的，在空間上是無限的。

如果這是真的，那么可觀測宇宙，即我們能看到的那部分，只是整個宇宙的一個無窮小的補丁。在一個無限的宇宙中，如果物質(zhì)也均勻分布在整個宇宙中，我們也期望一切都被重復(fù)無數(shù)次。有無限多個與我們完全相同的地球，也有那些與我們不完全相同的地球。這不是出于任何物理原因，而是因為任何具有有限概率的隨機事件，如果嘗試無限次，將會發(fā)生無限次。

是的，理論上存在無限多個你，正在讀這篇文章的無限多個版本，可能在其中一些版本里，你不僅是在閱讀，而且還在喝咖啡，或者正好打了個噴嚏。在另一些版本里，也許你決定跳過這篇文章，去看貓咪視頻了。

地平線效應(yīng)：宇宙版的"看不見的另一半"

可觀測宇宙的邊緣不是邊界或邊緣。它只是一個地平線，很像地球上的地平線。如果我看著一個朋友走到地平線然后越過它，我們就不能再看到對方，但我們每個人仍然有自己的地平線。可觀測宇宙邊緣也是如此。如果有人在我們可觀測宇宙的邊緣，他們將擁有自己的可觀測宇宙，其中包括我們無法看到的東西，因為這些東西超出了我們的地平線。

這就像是兩個相隔萬里的人同時站在自己的山頂上環(huán)視四周——你們各自能看到的范圍有重疊，但也各有各的"專屬風(fēng)景"。

也許宇宙很大，但不是無限大

可能我們的宇宙實際上仍然是有限的，但非常非常大。如果它是一個德西特空間（或幾乎是），并且在作為我們可觀測宇宙的部分內(nèi)在空間上顯得平坦，但實際上是一個超球面，那么這種情況就會出現(xiàn)。

換句話說，我們認為宇宙是平坦的，因為它在我們460億光年外的地平線范圍內(nèi)幾乎是平坦的，但它微微彎曲，以至于在數(shù)萬億或更多光年外，它回到自身。在這種情況下，它是有限的但無界的。

這與暴脹理論相符，因為暴脹理論只會迫使早期宇宙變得幾乎但不完全平坦。

在這種情況下，我們都像"平地球者"，因為我們認為宇宙是平坦的，因為我們不知道更好的。也許當(dāng)我們有更好的儀器時，我們可能會檢測到與平坦略微偏離，并發(fā)現(xiàn)宇宙是永遠延伸還是回到自身。

永恒的問題

說到底，宇宙是否無限這個問題，可能在我們的有生之年無法得到明確的答案。但正是這些終極問題驅(qū)使著科學(xué)不斷前進，就像盧克萊修的長矛一樣，不斷探索著未知的邊界。

也許更重要的是我們?nèi)绾慰创@個問題。無限宇宙的概念提醒我們，我們的存在是多么的渺小，卻又多么的特別。在無限的可能性中，我們這個版本的地球、這個版本的你我，正在此時此刻相遇，閱讀這些文字，思考這些問題。

無論宇宙是否無限，這種思考本身就已經(jīng)是一次宇宙之旅了。