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宇宙飞船朝一个方向一直飞,最终能回到起点吗?

如果你现在随便选一个方向只走直线,不改变方向,穿越山川河流,最后你会回到你现在站的这个地方,也就是出发点即目的地。如果登上一艘宇宙飞船,选一个方向出现,最终会回到起点吗?

如果你现在随便选一个方向只走直线,不改变方向,穿越山川河流,最后你会回到你现在站的这个地方,也就是出发点即目的地。如果登上一艘宇宙飞船,选一个方向出发,最终会回到起点吗?

图:如果这条公路上有一只蚂蚁,它会认为公路是直的还是弯曲的?

我们望着外面笔直的马路,看看长江,黄河,看着高楼林立,山峦叠嶂,似乎它们都在一个平面上,地球是平坦的。然而当我们的飞船飞出地球,回头望来,我们才发现地球原来是圆的。可以发现,我们要了解一个对于我们来说巨大无比的物体或者空间,我们需要在一个更大的尺度上观察它,而不是仅仅是在这个物体一种,一个渺小的角度来探查。

图:在太空中可以看到地球的特征,这种特征是无法在地球表面上观察到的。

那么我们的飞船是否能回到起点呢?我们能否站在宇宙之上更大的尺度中来回望宇宙呢?这涉及到宇宙的边界问题,如果宇宙有边界,那么我们可以飞出边界,回望宇宙。如果宇宙是各个方向都是无限的,并且都是开始方式的,那么我们永远只能做井底之蛙。

宇宙的形状

宇宙的边界,宇宙的形状一直都是科学家重要的研究课题。然而,即使我们向太阳系外发射了大量探测器,我们也不能直接测量出宇宙是平的还是弯的,这就像在一个广场上,我们把蚂蚁换成了昆虫,视野更大了,但还是很渺小。

不过科学家找到了一个新的办法,这个方法来源于《广义相对论》,爱因斯坦告诉我们光只会走直线,如果时空是弯曲的,那么光就会沿着弯曲的路线前进,弯曲路线中的直接,物理学家叫它测地线,测地线类似于地球上的大圆。例如赤道是弯曲的圆形,如果把地图展开,那么赤道就是一条直线。

由此,我们可以通过三角形测量法,如果两条平行的光线会在空旷远处的相交,可见空间必然纯在曲率使光线偏转了,那么空间就是弯曲的。

图:中间那个圆圈代表我们的可观测宇宙,在圈中很难观察到白线是条曲线

然而,科学家从遥远的星系,星系图,甚至从宇宙的第一束光(宇宙微波背景)中,得到的结果是宇宙是平的。或许还有另外一个可能,宇宙的曲率至少是可观测宇宙大小的数百倍。

正常来说,宇宙微波背景辐射(CMB)的温度都应该相同,但是由于宇宙早期受到恒星(的中子)诞生,等其他因素的影响,所以CMB在不同角度上有会一些微小的能量起伏,这些起伏会导致不同朝向上的空间曲线不同。但是CMB的背景颜色虽然有很大的不同,并不代表能量差别特别大,实际上,这样的差别非常小。因此,在非常微小的差别上,我们的宇宙似乎是平坦的。

图:CMB

或许在更精确的水平上,我们可能会发现某种程度的内在曲率,但就目前而言,在我们可以测量宇宙的尺度上,从我们的有利位置向各个方向大约460亿光年,没有迹象表明宇宙是弯曲的。

如果宇宙是平坦的

如果宇宙是平坦的,我们能得到的结果并非只有一个。例如地球经度最终可以在弯曲的地球表面相交,但是或许宇宙并非是球体呢?

图:你可以想象我们的宇宙形状像一个长圆柱体,两端相连形成一个甜甜圈的形状。

沿着环面,平行线永远不会相交,测量到的遥远光线的畸变与平坦的宇宙完全一致。但是你朝一个方向飞行,你最终也会回到原处。

那么我们的宇宙会是甜甜圈吗?如果宇宙的形状像甜甜圈,并且从一端到另一端的距离不超过920亿光年,我们就会发现两端的空间背景是相同的。

图:一个方向上的星系区域与另一个方向上的星系进行识别。

我们并没有得出喜出望外的结果,但甜甜圈的结果,我们并不能排除掉。或许宇宙回弯尺度远远大于920亿光年,我们只能在更大的尺度上感知宇宙弯曲。

即使宇宙是天天圈的形状,飞船也无法飞回来。因为宇宙一直在膨胀,而飞船达不到光速。宇宙膨胀速度与距离成正比,越远的星空膨胀速度越快,在一定距离上更是超过了光速,所以无论飞船飞多久都不可能回到原点。

总结

就目前人类所知,宇宙是平坦的,或许会是甜甜圈状,但它也足够的大,并且时时刻刻在膨胀,远距离的膨胀速度超过光速,而飞船的速度是由上限的,所以飞船无论如何都回不到原点。

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