宇宙有边缘吗？如果有，它在哪里？

如果你尽你所能地进入太空，你会遇到什么？你能走多远，有限度吗？或者你能走无限远吗？您最终会返回到起点，还是继续穿越您从未遇到过的空间？换句话说，宇宙有边缘吗？如果有，它在哪里？

图注：艺术家对可观测宇宙的对数尺度概念。星系让位于大型结构和大爆炸在郊区的热，密集的等离子体。此”边”只是时间上的边界。

信不信由你，实际上有三种不同的方式来思考这个问题，每种方式都有不同的答案。如果您考虑您能够走多远，如果您：

今天被留在一个任意强大的火箭，
考虑所有可能接触到我们的东西，或从热的大爆炸开始就被我们接触的东西，
或利用你的想象力独自进入整个宇宙，包括那些无法观察的东西，

你可以计算出它离边缘有多远。在每种情况下，答案都是引人入胜的。

图注：我们通常将空间可视化为 3D 网格，即使当我们考虑时空概念时，这是一个依赖于帧的过度简化。在现实中，时空是由物质和能量的存在弯曲的，距离不是固定的，而是可以随着宇宙的膨胀或收缩而演化的。

要记住的关键概念是，空间不是我们通常设想它的方式。通常，我们认为空间就像一个坐标系——一个三维网格——两点之间的最短距离是一条直线，距离不会随时间而改变。

但是，这两种假设，在我们的日常生活中都非常完美，当我们开始审视我们星球之外的更大尺度的宇宙时，却令人大失所望。首先，当你开始将质量和能量量子引入宇宙时，两点之间的最短距离是一条直线的想法就会崩溃。因为时空受曲率的影响，而曲率是物质和能量的存在是原因，两点之间的最短距离本质上取决于这些点之间的宇宙形状。

图注：在广义相对论中，我们把空间和时间视为连续的，但所有形式的能量，包括但不限于质量，都有助于时空曲率。如果我们用更密集的版本取代地球，包括奇点，这里显示的时空变形将是相同的；只有地球内部才会有显著的差异。

除此之外，时空结构本身不会随时间而保持不变。在充满物质和能量的宇宙中，一个静止的、不变的宇宙（点之间的距离随时间保持不变）本质上是不稳定的；宇宙必须通过膨胀或收缩来进化。如果爱因斯坦的广义相对论是正确的，这是强制性的。

从观察上看，我们宇宙正在膨胀的证据是压倒性的：爱因斯坦预言得到了惊人验证。但这带来了一系列的后果，以宇宙距离分离的天体，包括它们之间的距离随着时间的推移而膨胀。今天，我们能看到的最遥远的天体距离地球超过300亿光年，尽管自大爆炸以来已经过去了138亿年。

图注：星系越远，它离我们越快，它的光看起来越红移。今天，随着宇宙膨胀而移动的星系将比它从它发出的光到达我们的年数（乘以光速）还要大。但是，只有将红移和蓝移归因于运动（特殊相对论）和空间膨胀结构（一般相对论）贡献的组合，我们才能理解红移和蓝移。

当我们测量各种天体与其物理和发光特性的距离，以及它们的光因宇宙膨胀而转移的数量时，我们就能理解宇宙是由什么构成的。我们的宇宙混合物，目前包括：

0.01%的光子辐射，
0.1%中微子，一种难以捉摸的低质量粒子，几乎和光子一样多，
4.9%的正态物质，主要由我们相同的物质组成：质子、中子和电子，
27%暗物质，一种未知物质，它吸引，但不发射或吸收光，
和68%暗能量，这是空间固有的能量，导致遥远的天体在衰退中加速离开我们。

这些效应组合在一起时，您将获得一个独特而明确的预测，预测它的过去和现在，到可观测宇宙的边缘有多远。

这是件大事！大多数人认为，如果宇宙自大爆炸以来已经存在了138亿年，那么我们所能看到的极限将是138亿光年，但这并不完全正确。

只有当宇宙处于静态，而不是膨胀状态，这才是事实，但事实是：我们越远看，越远的物体似乎越快地离我们远。这种膨胀的速度变化的方式可以根据宇宙中的内容来预测，反过来，知道宇宙中有什么，观察天体膨胀的速度，可以告诉我们它们离我们有多远。当我们把所有可用的数据放在一起时，我们会得出一个独特值，包括到可观测宇宙视界的距离：461亿光年。

图注：从我们的角度来看，可观测到的宇宙可能是460亿光年，但肯定有更多的、不可观测的宇宙，甚至可能是无限的，就像我们超越的一样。随着时间的推移，我们将能看到更多的星系，最终揭示出大约2.3倍于我们目前所能看到的星系。

然而，这个边界不是宇宙在任何传统意义上的”边缘”。它根本不是太空的边界；如果我们碰巧位于太空的任何其他点，我们仍然能够探测和观察我们周围以我们为中心这个461亿光年球的一切。

这是因为”边缘”是时间边界，而不是空间边界。这个边缘代表了我们所能看到的极限，因为即使在由广义相对论控制的膨胀宇宙中，光速也只允许信号在宇宙138亿年的历史中传播至今。由于宇宙的膨胀，这个距离比138亿光年更远，但它仍然是有限的。然而，我们无法全部到达。

超过一定距离，我们可以看到一些很久以前发出的光，但永远也看不到现在正在发出的光：大爆炸后138亿年。超过某一定的特定距离，根据我计算，目前距离大约180亿光年，即使是以光速移动的信号也永远无法到达我们。

同样，这意味着，如果我们在一个任意高功率的火箭飞船上，目前包含在这180亿光年半径内的所有物体最终都会被我们所触及，即使宇宙继续膨胀，这些距离继续增加，我们也能触及。但是，超出该范围的对象将永远无法到达。即使我们走得越来越远，它们退去的速度也会比我们所能旅行的要快，使我们无法永远去探望它们。在可观测的宇宙中，94%的星系已经超出了我们观察范围。

然而，我们可能要考虑另一个”边缘”：超越我们今天所能观察到的极限，甚至我们可以任意观察到未来的东西，如果我们的理论时钟运行到无穷大。我们可以考虑整个宇宙有多大——不可观测的宇宙——以及它是否在自身上折叠。

我们可以回答这个问题的方式，是基于我们试图测量宇宙的空间曲率时所观察到的外推：空间弯曲的量是我们可以观察到的最大尺度。如果宇宙呈正曲线，平行线将收敛，三角形的三个角度总和超过180度。如果宇宙呈负曲线，平行线将分叉，三角形的三个角度总和小于180度。如果宇宙是平的，平行线将保持平行，所有三角形三个角度总和等于180度。

图注：三角形的角度加起来根据存在的空间曲率，加起来不同。正曲线（顶部）、负曲线（中间）或平面（底部）宇宙的内角将分别达到更多、更少或完全等于 180 度。

我们这样做的方式是获取最遥远的信号，如大爆炸遗留下来的光，并仔细研究波动是如何形成的。如果宇宙呈正或负方向弯曲，我们观察到的波动模式将最终会扭曲，出现在较大或更小的角度尺度上，而不是平坦的宇宙。

当我们从宇宙微波背景的波动和星系，如何在各种距离的大尺度上聚集的细节中获取最好的数据时，我们得出了一个结论：宇宙是与完美的空间平坦度无法区分。如果它是弯曲的，它的级别不超过0.4%，这意味着如果宇宙像超球一样弯曲，它的半径至少比我们观察到的部分大250倍。

如果你把宇宙的边缘定义为我们所能到达的最远的物体，如果我们立即开始我们的旅程，那么我们目前的极限仅仅是180亿光年的距离，只包括我们可观测宇宙体积的6%。如果你把它定义为我们所能观察到的信号的极限——我们可以看到谁，谁可以看到我们——那么边缘就会达到461亿光年。但是，如果你把它定义为不可观测的宇宙的极限，它的大小至少是1，1500亿光年，而且可能更大。