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【灵魂拷问篇-第01问】宇宙到底有多大？从空间曲率到平行宇宙，为你重塑科学宇宙观
宇宙的有限大或无限大与现代宇宙学的认识有何关联？ 宇宙的有限大或无限大是宇宙学研究中的核心问题。若认为宇宙是有限大的，那么需要对现代宇宙学有一定科学认知；若认为宇宙是无限大的，则可能对现代宇宙学一无所知或具备深入了解。早期，人们普遍认为宇宙是空间上无边无际、时间上无始无终的。这一观点符合常理，但随着现代天文观测证据揭示宇宙正在加速膨胀，且存在一个起点和终结，这与人们对宇宙的理解产生了冲突。
古代先贤如何理解宇宙的无边无际与无始无终？ 古代先贤如战国时期的著作《狮子巨甲》中提到“四方上下曰宇，古往今来曰宙”，这一表述代表了东西南北的空间无限性和过去、现在与未来的时间无始无终。这一想法虽然现在看来略显草率，但反映了当时对有边界有开端的宇宙理解上的困难。
现代科学如何证明宇宙起源于138亿年前的大爆炸，并解释其特性？ 根据现代物理学家的研究，宇宙的确始于138亿年前的大爆炸，这一事件产生了时间和空间。在此之前不存在时间的概念，因此无法探讨大爆炸之前的状况。宇宙学家们倾向于接受并研究有限无界宇宙模型，类似于地球表面没有边界但为有限面积的球体，其三维空间也呈现弯曲状态。这个理论通过精确验证地球附近的三维空间弯曲程度与广义相对论预测相符得以证实。
宇宙为何被描述为三维的？ 宇宙被描述为三维，首先是因为三维空间符合热力学定律，其平均能量密度最低，因此在数学上已被证明为宇宙大尺度结构的必然选择。此外，早期科学家通过实验证明地球附近的三维空间确实是弯曲的，而现代宇宙学原理指出，在大尺度上宇宙空间均匀且各向同性，这也进一步支持了三维宇宙的概念。
如何测量宇宙是否无限大？ 测量宇宙是否无限大可通过大尺度上宇宙空间区域是否为零来判断。若宇宙空间区域为零，则处处平坦，无限延伸，宇宙将无限大；若曲率为正，则三维空间往内收敛形成有限无界的宇宙；若曲率为负，则宇宙类似马鞍形，同样无限延伸。目前，在大尺度上直接测量宇宙空间区域较为困难，但科学家通过重子振动分光镜等技术，观测到宇宙空间在大尺度上呈现出超乎寻常的平直特性，间接证明宇宙可能是无限大的。
哈勃望远镜的观测结果与空间曲率有何关联？ 哈勃望远镜通过长时间曝光观测到最远300亿光年处的星系，这表明即使在如此遥远的距离，空间并未显著弯曲，否则图像会有所变形。此外，对宇宙微波背景辐射的观测也显示了类似的结果，即空间若弯曲，微波背景辐射图应该会呈现出特定的弯曲形态。
科学家是如何通过观测推断宇宙是否平坦的？ 科学家根据现有数据，尤其是在误差小于1%的精度范围内，可以认为我们所处的宇宙是完全平坦的。此外，利用广义相对论的观点，宇宙空间的弯曲可以转化为智能密度的测量。通过将所有已知智能（包括可见物质、暗物质和暗能量）与广义相对论中的临界智能密度进行比较，发现宇宙智能密度非常接近临界密度，这进一步支持了宇宙平坦的结论。
宇宙平坦性与暴涨宇宙模型有何关联？ 暴涨宇宙模型认为，在大爆炸初期，宇宙能在极短时间内从原子尺寸转变为宇宙学尺寸。尽管目前观测到的可观测宇宙仅大约460亿光年，但实际上宇宙的尺度可能比我们能想象的还要大得多。根据该模型，宇宙在诞生数十亿年内已经增长到至少可观测宇宙的10^24次方倍，即远超我们现在观测到的范围，这进一步印证了宇宙的平坦性可能是宇宙演化的必然结果。
平行宇宙在理论和观测层面有哪些可能性？ 在无限大的宇宙中，理论上每个可能的情况都存在无数个副本。这引发了关于平行宇宙的思考，包括现有宇宙的切片在无限空间中的重复以及爆炸理论提供的多个泡泡宇宙假说。如果泡泡宇宙假说是正确的，那么不同的宇宙之间可能会发生碰撞，在连接处的空间区域会产生压痕，从而在宇宙微波背景辐射中留下痕迹，这有望通过下一代卫星的观测得到证实。
面对宇宙无限性，人类应如何调整自身态度与行为？ 面对宇宙的无限性，人类应学会谦卑和同情心，将宏大的宇宙观应用于日常生活中，减少自我中心和不必要的计较。珍惜当下所处的家园，善待身边的每一个人，从而更好地保护我们的星球。同时，认识到宇宙中的每一个微小概率都可能在无穷大的背景下转化为现实，这可以带来安慰和启示，鼓励人们面对生活中的挫折和困难时保持积极乐观的态度。
宇宙到底有多大？他是有限大还是无限大？如果你的回答是有限大，那你应该具有一定的科学认知。而如果你的回答是无限大，那应该有两种可能。 要么你对现代宇宙学一无所知，要么你已经具有很好的天文学基础，并且对宇宙学的前沿进展有过比较深入的了解。一开始，人们大都认为宇宙应该是空间上无边无际，时间上无始无终。对此，我国古代先贤们其实已经有过比较深入的思考。 最早在战国时期的著作狮子巨甲中，就有提到四方上下曰宇，古往今来曰宙语，代表了东西南北。所有的空间是无边无际的，咒代表了过去、现在与未来的所有时间是无始无终的。 宇宙一词代表了具有时空属性的客观实在，这也是如今宇宙一词的来源。这个想法虽然现在看上去略显草率，但他确实非常符合常理，毕竟对于一个有边界有开端的宇宙，我们如果仅凭感觉是不太好理解的。 比如如果你跟你的朋友说宇宙是有边界的，他肯定会立刻问你，那边界的外面是什么。而如果你跟他说宇宙在时间上有个起点，那他下一句肯定就是在这个起点之前又是什么呢？ 所以我希望能通过今天这个视频，让在座的每个小朋友都能对我们所身处的这个宇宙理解的更深刻一点。
Part1：宇宙有个开端 记得在我小的时候，曾经很喜欢和爸妈一起在夜晚数星星。当亿万年前的星光映入我眼帘的那一瞬间，我也曾想过，这个宇宙应该是无穷无尽，永远都不会变的。长大后却发现，所有现代天文观测的证据都表明宇宙正在膨胀，而且是正在加速膨胀，并且在时间上，宇宙曾经有个开始，将来也会有个终结。这非常的违反直觉。 我们可以理解一场电影的开始与结束一个人的生老病死，一个国家的建立与灭亡，甚至一个星球奇迹的诞生与毁灭。但它是宇宙，宇宙是世界上一切的一切所有事物的总和，它的开始与结束又该如何理解呢？ 理解不了也没有关系，毕竟当时就连我服爱因斯坦都无法理解，并强行给他的引力场方程里加上了一个宇宙常数，以确保他解出来的宇宙是静态的。 后来，爱因斯坦也因此亲口承认，这是他一生中所犯过的最大的错误。不过，好在世界上总有那么一批比我们稍微要聪明一点点的人。他们在很早以前其实就已经给出了非常高级的答案。 物理学家们现在已经确切的知道，宇宙的开端就是源自于138亿年前的那场大爆炸。大爆炸产生了时间与空间。而如果你要问在大爆炸之前是什么，对不起，这个问题没有任何意义。因为时空一体，那时候的时间并不存在，那在空间上宇宙到底有没有边界呢？ 对于物理学家们来说，相比一个的宇宙，它们其实更容易理解。一个空间上是有限大，但是没有边界的宇宙。
Part2：空间，是可以弯曲的 这也就是爱因斯坦在1917年最早提出的有限无界宇宙模型。想象一下地球的表面，球的表面积是有限的，但它是没有边界的。如果你一直沿着你认为的直线走，那你最终会循环回到原点。 而这一切特性都是因为地球的表面是个弯曲的二维空间，而我们所在的三维空间也是可以弯曲的。 同学们是否还记得在前面的广义相对论第二期，我们有提到过任何有质量的物体都会弯曲它周围的时空很早之前就已经有科学家将带有四个高精度陀螺仪的卫星送上太空，以验证地球附近的三维空间是否是弯曲的。结果是在陀螺一绕地球旋转一周后，陀螺仪的指向确实发生了微小的变化。 这个角度大约是62英里外测量硬硬币的直径，它与广义相对论的预测结果高度吻合。所以，地球附近的三维空间确实是弯曲的，而我们的这个宇宙恰好就是三维的。需要注意的是，这并不是因为观测限制，而是他在数学上已经被证实，了。 就是三维的同时，这也是热力学定律的必然选择。因为从热力学上看，三维是亥姆霍兹自由能，也就是平均能量密度最低的一个空间维度。在这一点上，希望大家不要被科幻小说所误导。 有了解过超前理论的同学可能会说不对。超前理论说，我们的宇宙中还存在着更高维度的空间，比如十韦，这里也需要给大家澄清一下。首先，这个理论目前尚未得到任何实验观测数据的支持。其次，即使它是正确的，但这些高维空间也都是在非常小的尺度上蜷缩起来的。
Part3：宇宙的大小＝宇宙的曲率 它和我们现在所讨论的宇宙大尺度空间维度并不是一回事。既然我们讨论的是超大尺度上的问题，那这里有个概念就不得不稍微提一下，它就是宇宙学原理。 它是现代宇宙学家们研究宇宙的一个基本前提，也就是在大尺度上，宇宙空间处处均匀各向同性。假如我们的宇宙学原理是正确的，在这种学说下的宇宙不会存在边界和中断点，整个宇宙必然是一个连续的几何体，因为边界处的几何结构必然会和其他地方不一致。 偶尔违反宇宙学原理，所以宇宙空间的几何情况就只有三种，可能，处处均匀正向外弯曲，处处均匀反向弯曲，或者处处平坦。如果你理解了前面提到的这些对于宇宙是不是无限大的这个问题，其实就等同于另外一个问题，宇宙在大尺度上的区域是多少？ 如果区域为零，那么宇宙就是处处平坦，他在各个方向上就会无限延伸，宇宙就会无限大。如果曲率为正，三维空间就会往内收敛，形成一个有限无界的宇宙，类似于一个个四维球面。 霍金曾在时间简史中描述过类似的模型，而如果曲率为负，宇宙则类似于一个四维空间中的马鞍形，它也会无限延伸。所以这种情况下的宇宙也是无限的。那我们有什么办法可以在大尺度上测量宇宙空间的区域呢？ 最简单方法就是测量三角形内角之和去宇宙中距离极远的三个点，分别测量这三点之间的夹角之和，看它是不是等于180度。 相传高斯曾经就自己尝试过这个方法，它采用的方法是在三座高山的山顶测量山顶连线三角形内角之和。遗憾的是，因为实验精度的原因，他甚至连地球周围空间的弯曲都未能测出。更何况我们现在要测的是整个宇宙尺度的曲率，我们不可能在巨大的天文尺度下旅行到3个不同的顶点上去。 还有什么其他的办法呢？2013年，根据重子振动分光镜的勘测结果，科学家们发现，在大尺度上，宇宙空间是超乎寻常的平直。 用当时的原话来说，就是extraordinary flat这个观测的原理其实很简单的。如果宇宙是弯曲的，那么光线就会发生弯曲。如果曲率大于0，宇宙空间就是闭合的光源，向任意两个方向上发出的光线最终都会相交。 所以我们所看到的遥远星系所发出的光就会是这样。但这会有一个问题，当曲率较大时，我们会发现星系离我们越远，它看上去反而越大。这与我们的天文观测结果显然不符。 而如果曲率小于0，我们所看到的光就会是这样，这也会有一个严重的问题。当曲率显著较小时，我们会发现我们的可观测宇宙范围会被大大减小。因为远处星系的尺寸必须要非常大，才有可能被我们看到。 而现实是，哈勃望远镜通过长时间曝光，看到了最远300亿光年处的星系，所以曲率也不会是显著的小于0。另外我们对于宇宙微波背景辐射的观测结果也是类似的情况。如果空间是弯曲的，这个图就会有些弯曲。 但是实际上科学家并未观察到任何弯曲。根据现在观测的数据，在误差小于1%的精度范围内，我们可以认为我们所身处的这个宇宙是完全平坦的。除此之外，我们还有另外一个更加靠谱一点的方法。 广义相对论认为，质量和能量可以让空间发生弯曲，所以空间弯曲的测量就可以转化为宇宙智能密度的测量。 科学家通过将所有已知的智能加在一起，包括所有可见物质，暗物质、暗能量在与广义相对论中的临界智能密度相比，结果是我们宇宙的智能密度非常接近临界密度。根据最新的观测数据，在不超过4‰的误差内，两者恰好相等。然而，因为测量误差的存在，我们永远也无法严格证明宇宙就是平坦的。 但即便如此，这也意味着实际的宇宙要比我们目前的460亿光年的可观测与种，甚至比我们能想象到的宇宙都要大出太多。按照目前的暴涨宇宙模型，宇宙在大爆炸初期能在极短的时间内，从一个原子尺寸转变为宇宙学尺寸。 理论上说，宇宙在诞生的数十亿年里，已经增长到至少可观测宇宙的十的24次方倍。换句话说，整个宇宙的尺度与可观测宇宙相比，就像可观测宇宙对于一个原子一样，而这仍然不是极限。 宇宙要么就是真正的无限大，要么就是差点就无限大。宇宙的智能密度恰好等于广义相对论中的临界智能密度。为什么会如此之巧？ 物理学家们可不喜欢巧合，但很多时候他们也不得不接受这样的巧合现象，在宇宙学领域被称为精细调节问题。而宇宙的平坦性问题就是一个典型的精细调节问题。类似的还有很多，比如标准模型中的19个自由参数。 因为无法从理论上推导，它们看起来就像是被特意调成那样的数值，以便于让我们的宇宙恰好能适合生命存在。不过好在在现代的宇宙学模型中，因为暴胀理论宇宙的平坦性问题变得不再是一个巧合，它可能是宇宙演化的必然结果。 因为宇宙足够大，所以在可观测宇宙范围内，宇宙表现为局部平坦，就好比在地球上，我们所看到的大地是平直的一样。事实上，报账理论目前处在可实证宇宙学的边缘。根据爆炸理论所推导出的理论版图，很多都尚未得到观测验证。
Part4：平行宇宙？ 这里面最有意思的莫过于对于平行宇宙的思考。 对于一个有限的宇宙，物理学家们尚可理解一个无限大的宇宙又该如何理解呢？明明在大爆炸之前什么都没有，怎么现在一下子就变成无限大了呢？根据量子力学，我们不可能无限精度的确定一个粒子的位置。也就是说，对于给定一个局部空间范围里面所有例子的排列组合都是有限的。 这也就是说一堆混乱的粒子随机组合成，我们身体或者我们的地球的概率并不是无穷小，而同时宇宙又是无限大的。这意味着什么？ 这意味着在无限大的宇宙中，每一种你能想到的可能性都存在着，并且都存在着无数个。这意味着，在这个宇宙中，某个非常遥远的地方，必然存在着一个一模一样的星球，星球上存在着一个一模一样的。你也正在看着一模一样的视频。当然你们下一刻的动作可能会不太一样。 比如你点了关注加收藏，而他只是点了个赞。但是在宇宙的其他地方，也必然存在着无数个一模一样的人，他们也选择了关注加收藏。 而由于你们的距离相隔太远，使用常规的旅行方式，你们将永远都不可能有交集。本质上，这种平行宇宙其实只是现有宇宙的切片，在无限空间里的不断重复，没有什么复杂的误差异。 而我们前面提到的爆炸理论，实际上还提供了另外一种平行宇宙的可能性。简单来说就是如果把现在的宇宙当做是一个在迅速膨胀的泡泡，那这样的泡泡应该不止一个，这就是泡泡宇宙假说。不要觉得这种假说有点偏方。夜谈理论上，它可以通过观测得到进一步进一步证实。 如果泡泡宇宙假说是对的，那我们的宇宙就有可能会与别的宇宙发生碰撞。而在两个宇宙的连接处，它的空间区域将发生变化。这意味着什么？ 这意味着它会在宇宙微波背景辐射中留下盘形压痕，它就如同一块圆形的暗沉淤痕，叠压在宇宙微波背景之上。因此，我们可以从宇宙微波背景辐射中去寻找。 虽然我们目前还没有足够的证据，但随着下一代卫星的进步，或许会有新的发现。
Part5：面对宇宙，我们该如何自处 虽然狭义相对论禁止我们穿越到过去，但一个无限大的宇宙又为我们提供了无限的可能性。如果将来虫洞真的可行，那我们完全可以前往那些一模一样的地球副本，我们甚至可以选择不同的朝代，甚至可以去到未来。到那时，你可以尽情的体验穿越，而不用担心祖父悖论的因果限制。在浩瀚的宇宙面前，作为渺小人类的我们又该如何自处呢？ 曾经有网友问我，宇宙虽大，但我们终其一生，却都被困在这一个个狭小的空间里，过着陀螺一样的生活，不敢有丝毫松懈。我们逼迫自己杀死了所有的兴趣，忘记了自己的初心，忘记了最初的感动，天天做着不喜欢的事儿，忙碌一生，感觉自己的生命已经变得毫无意义。这让我想到了一句话，已是乾坤大，犹怜草木青。 著名天文学家卡尔萨根曾经说过，天文学是一门让人更加谦卑的学科，在遇到困难时，宏大的宇宙观让我们可以忘记自己，忘记那些自以为是，忘记一些所谓重要的或者不重要的事，忘记那些无关的评价，忘记那些计较与得失。 更加亲切和富有同情心的，去对待身边的每一个人，同时也更加珍惜我们所在的这颗暗淡蓝点，保护好我们目前所知唯一的家。因为宇宙无限大，一个再小的概率乘以无穷大也可以大于一。 所以一切你认为有可能发生的事情都必然发生过，而且都发生过无数次。我们所有人一生中所有曾经发生过，以及未来可能会发生的一切的悲欢离合、喜怒哀乐与爱恨情仇。在这个浩瀚宇宙中的某片星辰深处，都自有着微笑。所以下次当你失落不开心时，不如抬头看看这片星空，想想宇宙之大，你所期待的一切，美好的可能性，在宇宙的某个角落都可能真实发生过。 这或许能给你带来些许安慰。