几个世纪前，人类仰望夜空，想象地球之外的情景。他们认为恒星只是光的精确位置。太阳、月亮和其他行星以一种有规律的、完美的模式环绕地球。在他们的心目中，宇宙是以地球为中心的。

　　哥白尼和伽利略等科学家发现了这种哲学的缺陷。有了这些科学家的发现，人们才认识到地球不是宇宙的中心。随着时间的推移，我们开始更多地了解宇宙。今天，我们通过先进的望远镜、卫星和探测器来研究宇宙。

　　现在我们有了距离地球数百万光年的星系图像。科学家也定期研究遥远的恒星。他们甚至探测到了太阳系外的行星。

　　但我们对整个宇宙的大体情况了解多少？它在膨胀吗？它是无限的吗？如果它不是无限的，那么在空间的边界之外又有什么呢？太空到底是什么样子的？

　　这些问题属于宇宙学的范畴，即对宇宙的研究。人们尝试了许多不同的方法来研究宇宙。有些人使用数学的方法，其他人则更喜欢使用物理学方法，甚至有些人采取了哲学的方法。

　　宇宙学家对太空的样子还没有达成共识，但却提出了很多理论。描述空间的难点在于它很难形象化。我们习惯于在二维空间里思考地点。例如，可以使用经度和纬度确定地图上的位置。但是时空有四个维度。你不仅要考虑长宽高，还必须考虑时间。事实上，许多宇宙学家把这些维度的集合称为时空。

　　宇宙

　　大爆炸、引力和广义相对论

　　有助于理解宇宙形状的三种理论是大爆炸理论、引力理论和爱因斯坦的广义相对论。宇宙学家在研究关于空间形状的假设时考虑了所有这些理论。

　　大爆炸理论试图描述宇宙的起源。通过观察和分析，天文学家确定宇宙正在膨胀。他们还探测和研究了数十亿年前宇宙产生的光。他们的理论认为，有一段时间，宇宙中所有的物质和能量都包含在一个难以置信的微小点上。然后，宇宙突然膨胀。物质和能量以百万光年每秒的速度向外爆炸。

　　万有引力理论指出，物质的每一个粒子都对其他粒子有吸引力。具体地说，粒子之间的相互吸引力与其质量成正比，与它们之间距离的平方成反比。

　　如果大爆炸理论是真的，那么当宇宙开始时，一定有一股巨大的能量将物质快速推开。它必须克服宇宙中所有物质之间的引力。宇宙学家现在正在试图确定宇宙中到底有多少物质。如果宇宙有足够多的物质，它的引力将逐渐减缓宇宙膨胀，然后逆转宇宙的膨胀。最终，宇宙会收缩成另一个奇点。但如果没有足够多的物质，引力就不会强大到足以阻止宇宙膨胀，宇宙将无限期地增长。

　　相对论除了解释能量与物质的关系外，还得出空间是弯曲的结论。空间中的物体在椭圆轨道上运动不是因为引力，而是因为空间本身是弯曲的，因此直线实际上是一个环。

　　上述三种理论构成了各种空间形态理论的基础。但是对于哪种形状是正确的还没有真正的共识。

　　空间的形状

　　宇宙的三个主要模型是基于曲率的：零曲率、正曲率和负曲率。零曲率意味着宇宙是一个平面或欧几里德宇宙。把空间想象成一个二维结构，欧几里得宇宙看起来就像一个平面。在平坦的宇宙中，有足够的物质使宇宙无限膨胀而不发生坍缩，但膨胀的速度会随着时间的推移而减小。

　　如果宇宙有一个正曲率，它就是一个封闭的宇宙。这样一个宇宙的二维模型看起来就像一个球体，不可能有平行的测地线。在一个封闭的宇宙中，有足够的物质来逆转膨胀。最终，这样一个宇宙会自行崩塌。一个封闭的宇宙是一个有限的宇宙，它只会在崩塌前膨胀到一定的大小。

　　负曲率有点难以想象，最常见的描述是马鞍面。在负曲率模型中，两条平行于一个平面的直线将彼此远离。宇宙学家称宇宙的负曲率模型为开放宇宙。在这些宇宙中，没有足够的物质来逆转或减缓膨胀，因此宇宙将继续无限膨胀。

　　这是否意味着空间形状像一个平面、一个球体或一个马鞍？不一定。请记住，时空是在四个维度上测量的，这就降低了二维示例的有用性。关于宇宙的最终形状到底是什么，有许多相互矛盾的理论。

　　一个可能的形状是三重环面。乍一看，三个环面似乎是一个普通的立方体。但是立方体的每个面都粘在对面的面上。另一种形状是庞加莱十二面体球面形状。十二面体是一个12边的物体，有稍微向外弯曲的曲面。

　　如何测量空间

　　最近宇宙学的许多研究都集中在宇宙微波背景上。宇宙微波背景辐射是宇宙诞生38万年时产生的辐射。通过研究这种辐射，宇宙学家可以得出宇宙在诞生之初的样子。

　　利用威尔金森微波各向异性探测器，科学家们对微波背景辐射有了一个有趣的发现。他们发现辐射波长的变化在某一点停止了。在一个无限无界的宇宙中，波长的大小是没有限制的。我们期望看到各种大小频率的变化。只有在一个有限的宇宙或者一个非常特殊的无限的宇宙中，我们才能看到波长的极限。