宇宙是球形的吗

宇宙是球形的吗

在中国西周时期，生活在华夏大地上的人们提出了早期盖天说，他们认为，天穹像一口锅，倒扣在平坦的大地上。

宇宙是什么形状的？是像地球一样的圆形，是像星际物质一样的尘埃状，还是像银河系一样的扁平？

毕达哥拉斯像

远古时代，人们对宇宙形状的认识还十分幼稚。人们通常根据自己生活的环境推测宇宙的构造。在中国西周时期，当时的人们提出早期盖天说。他们认为，天穹像一口锅，倒扣在平坦的大地上。后来，这种说法进一步演化，发展为后期盖天说，认为大地的形状也是拱形的。

公元前7世纪的巴比伦人也认为天和地都是拱形的，他们想象大地被海洋所环绕，大地的中央是高山。古希腊人认为，大地是浮在水面上的巨大圆盘，上面笼罩着拱形的天穹。古埃及人把宇宙想象成以天为盖、大地为底的大盒子，大地的中央是尼罗河。古印度人的推测更加有趣，他们认为圆盘形的大地附在几只大象上，而大象站在巨大的龟背上。还有一些古人认为地球被一个黑色的罩子所包裹。古时的人们幼稚地认为，恒星就是一些发光点，太阳、月亮和其他行星都以某种精准的模式围绕地球转动。

公元前6世纪，毕达哥拉斯从美学观念出发，认为一切立体图形中最美的是球形，并认为各种天体和我们所居住的大地都是球形的。后来，这一唯美观念为许多古希腊学者所继承。直到1519—1522年，葡萄牙的F.麦哲伦率领探险队完成了第一次环球航行。这次环球航行证实了地球是球形的观念。那么，宇宙是什么形状的？也是球形的吗？

麦哲伦像

随着时间推移，我们已经可以通过天文望远镜、卫星和探测器等先进工具对宇宙进行研究了。这些工具使我们对宇宙有了更多的了解。我们已经可以观测到距离地球百万光年之外的星系。科学家可以通过特定的方法，研究距离地球非常遥远的恒星和行星。

爱因斯坦

人们曾通过物理、数学、哲学等各种方法来研究宇宙。对于宇宙到底是什么样子的，人们并没有形成一致看法，而对于探索宇宙形状的基础主要有以下三个理论。

第一，空间是弯曲的。

除了很好的解释了物质和能量之间的关系，相对论还得出一个结论：空间是弯曲的。太空中的星体绕着椭圆轨道运行的原因并不是引力作用，而是由于空间是弯曲的，使得直线最终变成了闭合的圆圈。几何学中曲平面上的直线称为测地线。

第二，引力论。

物质的每一个粒子之间都具有吸引力，不管这个粒子有多么小。引力论认为，粒子对其他粒子的吸引和粒子的质量成正比，和他们之间的距离平方成反比。对质量非常大的物体来说，它对其他物体所产生的引力也是巨大的。如果大爆炸理论是正确的，宇宙开始形成的时候肯定有巨大的能量爆发，从而将物质快速抛出遥远的距离，并且这些能量必须大到能克服宇宙中所有物质的引力。目前，宇宙学家正试图计算出宇宙中到底有多少物质。如果物质足够多的话，引力效应就会逐渐减弱并阻止宇宙膨胀。最终，宇宙就会缩小为另一个奇点，这一理论称为大坍缩。但如果物质不够多，引力也就不够强，不能阻止宇宙的膨胀，宇宙就会无限膨胀下去。

第三，大爆炸理论揭示了宇宙的起源。

奇点

根据广义相对论，在大爆炸之前，体积为零、密度无穷大的点包含了宇宙的所有物质，这一点称为奇点。物质在进入黑洞的同时也进入了奇点状态，因为体积减为零而密度增加到无穷大。

曲率

曲率表示曲线弯曲程度的量。平面曲线的曲率就是针对曲线上某个点的切线方向角对弧长的转动率，通过微分来定义，表明曲线偏离直线的程度。曲率越大，表示曲线的弯曲程度越大。曲率的倒数就是曲率半径。圆弧的曲率半径，就是以这段圆弧为一个圆的一部分时，所成的圆的半径。曲率半径越大，圆弧越平缓；曲率半径越小，圆弧越陡。而对于圆，曲率不随位置变化。

三种不同曲率的宇宙模型

天文学家通过长时间地观测分析，得出宇宙在不断膨胀的结论。他们探测并研究了其他天体数十亿年之前发出的光线，在这些光线发出时的宇宙还很年轻。科学家将观测结果理论化，认为物质和能量通过爆发在极短的时间内就被抛出了百万光年之外的地方。这些被抛出的物质和能量，成为现在我们所了解的宇宙的一部分。也就是说，宇宙中的一切物质和能量都集中在一个极其微小的点上，这个点突然爆发便形成了我们现在所见的宇宙。

宇宙理论上应该是什么样子的呢？科学家根据曲率的不同建立了3种宇宙模型，分别展示了不同曲率下宇宙可能的形态。

零曲率在一个平面上或者欧几里德空间上描述宇宙，一个欧几里德的空间就是一个平面，在一个平面内才有可能出现平行线。平面宇宙中有足够的物质支持宇宙无限膨胀，并且不会出现崩缩，而膨胀的速度则随着时间减缓。

宇宙3D图像

在负曲率模型下，平面上平行的两条线可能彼此远离。宇宙学家将负曲率的宇宙模型称作开放的宇宙。在开放的宇宙模型中，宇宙将无限地膨胀下去，因为没有足够的物质来阻止或减缓宇宙膨胀。对于负曲率最常见的描述就是马鞍型。

正曲率的宇宙是封闭的宇宙。在正曲率宇宙模型中不可能出现平行的测地线，两直线必然会在某一点相交。因为封闭的空间是有限的，在膨胀到一定程度后就会崩缩。正曲率的宇宙模型是球体。

那么，宇宙的形状是不是就是平面、球体或者马鞍状中的一种呢？也不一定。上述几个模型都是宇宙的二维模型，而宇宙还有一个时间的维度，是四维的，这就减弱了二维模型的有效性。除了这三种宇宙模型之外，还有其他描述宇宙的形状的理论。其中的一个认为宇宙是三重环面形状。三重环面初看时就是普通的立方体，但每个平面都和对面的平面相连。还有的理论认为宇宙是呈现一种喇叭形。

总之，对宇宙形状众说纷纭，相关的理论也五花八门。虽然我们现在还不知道宇宙的确切形状，但正是对未知事物的求索才使研究本身充满了神秘感。研究的进步每天都会给我们带来新的发现，这才是研究的魅力所在。