即便是在霍金如日中天的時候，他也很難回答下面這個問題。

提問：

請想一下，假如光朝一個方向一直飛，最終會回到原地，那么我們在宇宙中應該就可以觀察到很多星系的鏡像，一個星系發出的光，每跑一圈，就應該能產生一個鏡像。但問題是，為什么我們并沒有觀察到這樣的星系鏡像，或者叫做星系重影的現象呢？

霍金對此的解釋是：

這有兩種可能，一種可能是我們人類的天文望遠鏡還太弱，看不到遙遠的暗淡的重影。另一種可能是，宇宙很大，大到目前還沒有哪個星系的光能跑完一圈。

這兩種解釋在當時勉強能說得過去，畢竟，1988 年的時候，哈勃太空望遠鏡還沒有上天。

但是，當哈勃太空望遠鏡上天后，它的觀測能力無與倫比，都已經能看到 130 多億光年外的遙遠天體了，也就是我們看到了是宇宙 130 億年前的樣子，而宇宙的年齡是 138 億歲，所以，那時候的宇宙還處在幼年期，肯定要比現在的宇宙小得多，怎么還是看不到任何星系的重影呢？

哈勃太空望遠鏡

01 尋找彎曲的證據

在很長一段時間中，霍金的宇宙模型在科學界一直占據著統治地位，大多數天文學家都相信這個模型。并且正因為相信，許多天文學家都在孜孜不倦地尋找在大尺度上，宇宙是彎曲的證據。

要知道，雖然我們身處在宇宙中，但這并不意味著我們找不到宇宙彎曲的證據。

這就好像，我們生活在地球上，雖然古人無法飛到天上去看地球，但人類很早就發現了地球是球形的證據。早在 2000 多年前的古希臘時代，亞里士多德就提出了三條球形大地的證據：

第一個證據：在海上看遠遠向著自己開來的帆船，總是先看到帆船的桅桿，再看到船身。

第二個證據：朝著北極星的方向一直走，那么就會觀察到，前方就會慢慢升起一些星星，而身后會落下一些星星。

第三個證據：發生月食的時候，地球在月球上投下的陰影，邊緣是一根弧線。

其實，只要有了一些最基礎的幾何學知識，就很容易找到球形大地的證據。

我舉個例子，我們學過平面幾何都知道，平面上的一個三角形，內角和是 180 度，這很容易證明。但如果我們在籃球上畫一個三角形，它的內角和就不再是 180 度了，而是大于 180 度。如果我們在地球上畫出一個這樣巨大的三角形，它的內角和可以達到 230°。所以，我們只要在相距很遠的三個點上樹立幾根標桿，然后測量在地球表面上形成的三角形的內角，把它們相加，只要內角和大于 180 度，就可以證明大地不是平直的。甚至，可以通過內角和是多少度來計算出大地的曲率是多少。

我跟你講這些，只是為了向你證明，我們雖然身處宇宙中，但科學家們可以找到很多辦法來測量宇宙空間的曲率。當然，科學家們具體采用的方法并不是普通人很容易理解的方法，要比測量三角形的內角和復雜得多，但也精確得多。

02 BOSS 發話：宇宙是平的？！

從 2009 年開始，有一項由美國主導的大型宇宙空間曲率的觀測項目啟動，這個項目的全稱我說出來沒人記得住，叫什么重子振動分光鏡勘測，它的科學原理也極其復雜，一點不臉紅地說，我也看不懂。但是，這個項目的英文簡稱卻特別好記，就是 BOSS，跟英文“老板”的拼寫是一樣的。

BOSS 使用望遠鏡焦平面上的 2,000 個插板，捕捉數百萬個天體的精確光譜

2014 年 1 月，BOSS 宣布：從大尺度上來看，我們的宇宙空間異乎尋常的平直。

換句話說，BOSS 窮盡了自己的所有觀測手段，也沒能看到宇宙空間有一絲一毫的彎曲，且誤差只有 1%。如果翻譯成人話就是：我有 99% 的把握說，在我的觀測能力下，宇宙是完全平坦的。

在我們科普圈，有一句名言：非同尋常的主張需要非同尋常的證據。這也是我最喜歡掛在嘴邊的一句。不管是主張宇宙空間是彎曲的，還是平直的，其實，都算是非同尋常的主張，都需要有過硬的證據才行。

只有 BOSS 的一項證據是不夠的。我們還需要更多的證據，并且，這個證據最好還是來自于不同的測量方法，這樣就更有獨立性。測量宇宙的空間曲率還有什么辦法呢？

03 廣義相對論出手了

還有一個間接的方法，雖然間接，但物理學家們都認為這個方法很靠譜，因為這個方法是根據愛因斯坦的廣義相對論推理出來的方法。換句話說，只要廣義相對論是對的，這個方法就是很靠譜的，除非廣義相對論本身是錯誤的。

但廣義相對論實在是太成功了，迄今為止，廣義相對論做出的幾乎所有預言都被一一證實了。可能你有所不知，像宇宙微波背景輻射、中子星、黑洞、恒星演化的過程、星系演化的過程這些都是廣義相對論的預言，它們都被天文觀測證實。

WMAP 測定的宇宙微波背景輻射

2016 年，廣義相對論的另外一個最重要的預言，也就是引力波被證實時，廣義相對論可以說已經走向了神壇，它已經成了物理學中最成功的理論，沒有之一。根據廣義相對論，質量和能量都能讓空間發生彎曲。

2016 年科學家首次直接探測到引力波

那么我們只要統計一下宇宙里大概有多少的質能，就可以知道空間是怎么彎曲的。科學家把已知的可見物質，還有像什么暗物質、暗能量這些質能都加在一起，就可以測量出宇宙的質能密度。總之，你只要知道，我們現在把宇宙中所有的質量和能量全部考慮進去，用廣義相對論，可以計算出“臨界質能密度”，然后把觀測的質能密度除以臨界質能密度，得到一個數值，用希臘字母 Ω 表示。

如果 Ω1，那就說明宇宙里物質比較多，引力比較大，宇宙空間的曲率就是正的，那么宇宙就像一個球一樣彎曲；如果 Ω1，那就說明物質比較少，引力比較小，那么宇宙就會是一個像馬鞍形一樣的空間，是開放的。如果 Ω 恰好等于 1，說明宇宙就是完全平坦的，沒有一絲一毫的彎曲。

04 令人震驚的 Ω 值

差不多從 2000 年開始，人類就不斷地發射可以測量宇宙質能密度的天文探測衛星上天，像什么威爾金森探測器、WMAP 探測器、普朗克衛星等等，都具備這個功能。然后，你們可以猜猜看，測量結果是什么？

讓科學家們都感到很不可思議的是，所有的探測器返回的結果，Ω 都是 1，我們無論怎么提高探測精度，都是同樣的結果。這是不是有點兒像科幻小說《三體》的情節？人類首次遇到三體文明的探測器，長得像一顆水滴，它的表面無限光滑，無論我們怎么放大它的表面，看到的都是完全光滑的表面。

科幻小說《三體》中虛構的水滴

這里岔開一句話，其實這個創意最早自于阿瑟·克拉克的科幻小說《2001 太空漫游》，說外星人在月球上樹立了一塊黑色的碑，這塊碑的長、寬、高之比是一個固定的數值 1:4:9，無論地球人用多么高的精度去測量，這個比值都是紋絲不動的，外星人就是用這種方式來展示他們文明的強大。

現在，人類測量 Ω 的數值就很像是科幻小說中的這個情節，無論我們怎么提高探測精度，Ω 都鎖死在 1 上，宇宙就是用這種方式向我們展示了它神秘莫測的性質。那我們現在的精度到底到了多少呢？是 ±0.4%。換句話說，人類已經把 Ω 的數值鎖定在 1 ± 0.004 這個數值上。你可能會覺得 0.004 看上去，精度也不算很高嘛，其實這個精度很高，我換個講法，你可能就能理解這個精度有多高了。

Ω= 1 我們可以近似地理解為，整個宇宙，平均來說，在每立方米的空間中恰好擁有 5 個氫原子。我們不妨再做個數量上的類比轉換。假設我們把一個氫原子放大到一顆綠豆那么大，然后，我們在地球上造一個邊長為 500 公里的巨大立方體，把這 5 顆綠豆放進去。現在我們的測量精度是說，在這個空間中，是 5 ± 0.004 顆綠豆。你體會一下這個測量精度，是不是已經很厲害了？

如果我們的宇宙是不平坦的（左/右），那么我們在 CMBR 中看到的宇宙相較于當前宇宙會出現扭曲

因為測量精度已經到這種程度了，所以，現在越來越多的宇宙學家都開始轉向支持平坦宇宙假說，并且已經成為了今天的主流。既然宇宙是完全平坦的，那我們只能認為，宇宙是無限大的，你朝宇宙的任意一個方向一直飛下去，永遠永遠也飛不到盡頭，這就是科學共同體當下對宇宙大小的最新理解。

當然，看到這里，我猜還是會有很多人對無限大這個概念感到不可思議，怎么就能無窮無盡，無限下去呢？保持這個懸念，我們下期再聊。