在宇宙中一直沿直线旅行会发生什么？

宇宙是有限的还是无限的？它是一直向前发展，还是循环往复？如果你坚定不移地朝一个方向旅行下去，会发生什么？

宇宙是一个巨大、奇妙而又古怪的所在。从人类的视角，各个方向上的宇宙范围大约为460亿光年。

无论望向哪里，我们看到的都是一个充满恒星和星系的宇宙，但这些天体都是独一无二的吗？有没有可能，你在一个方向上看到的一个星系，当你从不同的视角，或者从相反的方向看，也会看到同样的星系？

宇宙真的会循环往复吗？如果你沿着直线旅行得足够远，最终会回到起点吗，就像你在地球表面朝任何一个方向走了足够长的时间一样？或者，会不会有什么东西阻止你回到原点？

图中所示的星系都位于本星系群之外，因此它们都不受银河系的引力约束。结果，随着宇宙的膨胀，它们发出的光会向波长更长、更红的方向移动。这些物体不断远离我们，随着膨胀的持续，它们会越来越远。

这是一个值得思考的有趣问题。对大多数人来说，空间和时间的一些特性是难以想象的。在宇宙中，如果一直沿直线旅行的话，似乎可以永远走下去。有什么东西会阻止你？一堵墙？如果是的话，那墙的另一边是什么？

或许听起来很荒谬，但答案是：两种情况皆有可能。你既可以永远旅行下去，但也会有东西阻止你。关键在于如何理解不断膨胀的宇宙，这本身就是最令人难以想象的概念之一。

当我们仰望宇宙的时候，看到的物体并不是它们如今存在的样子。从我们的角度来看，宇宙大爆炸已经发生了138亿年，而我们所看到的一切都比宇宙本身年轻。

我们的宇宙可能有点像一个关于小行星的宇宙三维游戏，你可以从宇宙的这边离开，然后在另一边重新出现。

如果宇宙膨胀得足够慢，或者我们的速度足够快，时间足够长，那我们最终会回到起点，没有什么能阻止我们到达设定的目的地。

为什么会这样？

大爆炸同时发生在所有地方，如果我们位于宇宙的其他地方，也会经历同样的138亿年时间。但如果我们从那个位置观察地球，就必须考虑到我们所看到的地球并不是它今天真正的模样。相反，我们看到的是地球当时的样子；当时到达的光从地球发射出来，再被我们接收到。我们看到的是地球的过去。

如果我们在月球上，这些反射光大约就是1.3秒前发出的。如果我们在一颗围绕半人马座α星运行的行星上，那这些光的存在就已经有4.3年了。如果我们在仙女座星系，则这些光应该已经行进了250万年。

当我们从自己的角度观察一个遥远的物体时，同样的原理也在起作用：我们看到的是这些物体在光线到达时的样子。只不过，如果我们将目光越过本星系群的卫星、行星、恒星和星系，向更远的宇宙望去，就会有另一个因素在起作用：光所穿过的空间正在扩大。

20世纪，物理学家发现宇宙正在膨胀，这是人类对宇宙认识的最大变革之一。一个距离我们越远的遥远星系——假设它不受银河系引力的约束——它发出的光的红移量就越大，或者说，它的光会被拉伸至更长的波长。

即使是在一个不断膨胀的宇宙中，只要有足够的时间，遥远天体发出的光终究会被我们看到。不仅光子的波长会因为宇宙的膨胀而被拉长，物质粒子的德布罗意波长也会被拉长。光在宇宙中穿行的时间越长，它的波长因宇宙膨胀而被拉长的程度就越大。

在宇宙中，有三种情况通常会导致红移：

（1）当光源与观察者相对远离彼此时；

（2）当射出的光需要爬出一个巨大的重力势阱时；

（3）当两个物体之间的空间在光的旅程中膨胀时。

尽管前两种效应在短距离内可能很显著，但在最大的宇宙尺度上，只有空间的膨胀才具有重要的意义。

三角形的内角和取决于空间曲率的大小。在正曲率（上）、负曲率（中）或平坦（下）的宇宙中，三角形内角之和分别为＞180°、＜180°或等于180°。尽管很容易描绘一个正曲率的曲面（上）是如何有限并循环的，但非正曲率的曲面也可以是有限的。

宇宙正在膨胀的事实很重要，原因有很多，尤其是从宇宙的视角来看。这一事实让我们可以推断出宇宙历史，以及我们如何从一个更热、更密集、更均匀、更迅速膨胀的状态中诞生的过程。如果我们能测量膨胀速率随时间的变化，或许就能推断出构成宇宙的各种能量类型及其比例。

而且，如果我们能知道宇宙是如何膨胀的，以及宇宙所包含的一切，我们就能预测它在遥远未来会如何膨胀，以及宇宙最终的命运会是什么。

圆环几何结构是空间平面的一个例子，它既没有正曲率也没有负曲率，但在范围上是有限的。如果你所处的空间本质上是环面，那么一直沿直线走的话，你最终就可以回到起点。

那么，这些与之前提到的问题有什么关系？如果你永远沿着直线穿越宇宙，会发生什么？

首先，我们先来考虑另一种可能性：如果你永远沿着直线旅行，穿过一个不会膨胀，静态不变的宇宙，情况会有什么不同？

在静态不变的宇宙中，一切都取决于我们已知的、可以用数学描述的宇宙拓扑结构。爱因斯坦的广义相对论带来的重大变革之一，就是让人们认识到，空间本身并不能简单地用直线构成的的三维网格来描述，因为这种描述是刚性、绝对的。

相反，空间本身必然会因物质和能量的存在（或不存在）而弯曲。当存在一个巨大且过度密集的物质和/或能量集合时，就会导致更大的（正的）空间曲率；而当物质和能量低于平均水平甚至是负的时，就会导致负曲率。

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