宇宙到底有多大？它是有限大還是無限大？如果你的回答是有限大，那你應該具有一定的科學認知；而如果你的回答是無限大，那應該有兩種可能：要麽你對現代宇宙學一無所知，要麽你已經具有很好的天文學基礎，並且對現代宇宙學的前沿進展有過比較深入的了解。
一開始，人們大都認為宇宙應該是空間上無邊無際，時間上無始無終。對此，中國古代先賢們其實已經有過比較深入的思考。最早在戰國時期的著作【屍子卷下】中就有提到「四方上下曰宇，古往今來曰宙」，宇代表了東西南北所有的空間，是無邊無際的。宙代表了過去、現在與未來的所有時間，是無始無終的。宇宙一詞代表了具有時空內容的客觀實在，這也是如今宇宙一詞的來源。這個想法雖然現在看上去略顯草率，但它確實非常符合常理。畢竟，對於一個有邊界、有開端的宇宙，我們如果僅憑感覺是不太好理解的。
比如，如果你跟你的朋友說宇宙是有邊界的，他肯定會立刻問你：「那邊界的外面是什麽」。而如果你跟他說宇宙在時間上有個起點，那他下一句肯定就是：「那在這個起點之前又是什麽呢？」所以，我希望能透過今天這篇文章讓在座的每個小朋友都能對我們所身處的這個宇宙理解得更深刻一點。
記得在我小的時候，曾經很喜歡和爸媽一起在夜晚數星星。當億萬年前的星光映入我眼簾的那一瞬間，我也曾想過這個宇宙應該是無窮無盡、永遠都不會變的。長大後卻發現，所有現代天文觀測的證據都表明宇宙正在膨脹，而且是正在加速膨脹並且在時間上，宇宙曾經有個開始，將來也會有個終結。這非常違反直覺。我們可以理解一場電影的開始與結束，一個人的生老病死，一個國家的建立與滅亡，甚至一個星球星系的誕生與淪陷。但它是宇宙。宇宙是世界上一切的一切所有事物的總和。他的開始與結束又該如何理解？
理解不了也沒有關系。畢竟，當時就連愛因史坦都無法理解，並強行給他的重力場方程式裏加上了一個宇宙常數，以確保他解出來的宇宙是靜態的。後來愛因史坦也因此親口承認，這是他一生中所犯過的最大的錯誤。不過好在世界上總有那麽一批比我們稍微要聰明一點點的人。他們在很早以前其實就已經給出了非常高級的答案。物理學家們現在已經確切地知道，宇宙的開端就是源自於一百三十八億年前的那場大霹靂。大霹靂產生了時間與空間。那麽，如果你要問，在大霹靂之前是什麽？對不起，這個問題沒有任何意義。因為時空一體，那時候的時間並不存在。
那在空間上，宇宙到底有沒有邊界呢？對於物理學家們來說，相比一個無限大的宇宙，他們其實更容易理解一個空間上是有限大但是沒有邊界的宇宙。這也就是愛因史坦在1917年最早提出的有限無界宇宙模型。
想象一下地球的表面，球的表面積是有限的，但它是沒有邊界的。如果你一直沿著你認為的直線走，那你最終會迴圈回到原點。而這一切特性都是因為地球的表面是個彎曲的二維空間，而我們所在的三維空間也是可以彎曲的。廣義相對論中提到，任何有品質的物體都會彎曲它周圍的時空。
很早之前就已經有科學家將帶有四個高精度陀螺儀的衛星送上太空，以驗證地球附近的三維空間是否是彎曲的。結果是在陀螺一繞地球旋轉一周後，陀螺的指向確實發生了微小的變化。這個角度大約是十六十二英裏外測量一個硬幣的直徑。它與廣義相對論的預測結果高度吻合。所以地球附近的三維空間確實是彎曲的，而我們的這個宇宙恰好就是三維的。需要註意的是，這並不是因為觀測限制，而是他在數學上已經被證實就是三維的。同時，這也是熱力學定律的必然選擇，因為從熱力學上看，三維是亥姆霍茲自由能，也就是平均能量密度最低的一個空間維度。在這一點上，希望大家不要被科幻小說所誤導。
有了解過超弦理論的同學可能會說，不對，超弦理論說我們的宇宙中還存在著更高維度的空間，比如十維。這裏也需要給大家澄清一下。首先，這個理論目前尚未得到任何實驗觀測數據的支持。其次，即使它是正確的，但這些高維空間也都是在非常小的尺度上蜷縮起來的。他和我們現在所討論的宇宙大尺度空間維度並不是一回事。
既然我們討論的是超大尺度上的問題，那這裏有個概念就不得不稍微提一下，他就是宇宙學原理。它是現代宇宙學家們研究宇宙的一個基本前提，也就是在大尺度上，宇宙空間處處均勻、各向同性。假如我們的宇宙學原理是正確的，在這種學說下的宇宙不會存在邊界和中斷點。整個宇宙必然是一個連續的幾何體，因為邊界處的幾何結構必然會和其他地方不一致，從而違反宇宙學原理。所以宇宙空間的幾何情況就只有三種可能：處處均勻正向彎曲、處處均勻反向彎曲或者處處平坦。
如果你理解了前面提到的這些，對於宇宙是不是無限大的這個問題其實就等同於另外一個問題：宇宙在大尺度上的曲率是多少？如果曲率為零，那麽宇宙就是處處平坦，它在各個方向上就會無限延伸，宇宙就會無限大。如果曲率為正，三維空間就會往內收斂，形成一個有限無界的宇宙，類似於一個四維球面。霍金曾在【時間簡史】中描述過類似的模型。而如果曲率為負，宇宙則類似於一個四維空間的馬鞍形，它也會無限延伸，所以這種情況下的宇宙也是無限的。
那我們有什麽辦法可以在大尺度上測量宇宙空間的曲率呢？最簡單的方法就是測量三角形內角之和。取宇宙中距離極遠的三個點，分別測量這三點之間的夾角之和，看它是不是等於180度。相傳高斯曾經就自己嘗試過這個方法。他采用的方法是在三座高山的山頂測量山頂連線三角形內角之和。遺憾的是，因為實驗精度的原因，甚至連地球周圍空間的彎曲都未能測出，更何況我們現在要測的是整個宇宙尺度的曲率。我們不可能在巨大的天文尺度下，旅行到三個不同的頂點上去。
那還有什麽其他的辦法呢？2013年根據「重子振動風光鏡」的勘測結果，科學家們發現，在大尺度上，宇宙空間是超乎尋常的平直。用當時的原話來說就是 "extraordinary flat"。這個觀測的原理其實很簡單：如果宇宙是彎曲的，那麽光線就會發生彎曲。如果曲率大於零，宇宙空間就是閉合的，光源向任意兩個方向上發出的光線最終都會相交。所以我們所看到的遙遠星系所發出的光就會是這樣。
但這會有一個問題，當曲率較大時，我們會發現星系離我們越遠，它看上去反而越大，這與我們的天文觀測結果顯然不符。而如果曲率小於零，我們所看到的光就會是這樣。
這也會有一個嚴重的問題，當曲率顯著較小時，我們會發現我們的可觀測宇宙範圍會被大大減小，因為遠處星系的尺寸必須要非常大才有可能被我們看到。
而現實是：哈柏望遠鏡透過長時間曝光看到了最遠300億光年處的星系，所以曲率也不會是顯著的小於零。另外，我們對於宇宙微波背景放射線的觀測結果也是類似的情況。如果空間是彎曲的，這個圖就會有些彎曲。但是實際上科學家並未觀察到任何彎曲。根據現在觀測的數據，在誤差小於1%的精度範圍內，我們可以認為我們所身處的這個宇宙是完全平坦的。
除此之外，我們還有另外一個更加靠譜一點的方法：廣義相對論認為，品質和能量可以讓空間發生彎曲，所以空間彎曲的測量就可以轉化為宇宙質能密度的測量。科學家透過將所有已知的質能加在一起，包括所有可見物質，暗物質、暗能量，在與廣義相對論中的臨界質能密度相比，結果是我們宇宙的智慧密度非常接近臨界密度。根據最新的觀測數據，在不超過千分之四的誤差內，兩者恰好相等。然而，因為測量誤差的存在，我們永遠也無法嚴格證明宇宙就是平坦。但即便如此，這也意味著實際的宇宙要比我們目前的460億光年的可觀測甚至比我們能想象到的宇宙都要大出太多。
按照目前的爆脹宇宙模型，宇宙在大霹靂初期能在極短的時間內從一個原子尺寸轉變為宇宙學尺寸。理論上說，宇宙在誕生的數十億年裏已經增長到至少可觀測宇宙的十的24次方倍。換句話說，整個宇宙的尺度與可觀測宇宙相比，就像可觀測宇宙對於一個原子。而這仍然不是極限。宇宙要麽就是真正的無限大，要麽就是差點就無限大。宇宙的質能密度恰好等於廣義相對論中的臨界質能密度。為什麽會如此之巧？物理學家們可不喜歡巧合，但很多時候他們也不得不接受。這樣的巧合現象在宇宙學領域，被稱為精細調節問題，而宇宙的平坦性問題就是一個典型的精細調節問題。
類似的還有很多，比如標準模型中的19個自由參數。因為無法從理論上推導，他們看起來就像是被特意調成那樣的數值，以便於讓我們的宇宙恰好能適合生命存在。不過好在在現代的宇宙學模型中，因為爆炸理論，宇宙的平坦性問題變得不再是一個巧合。它可能是宇宙演化的必然結果，因為宇宙足夠大，所以在可觀測宇宙範圍內，宇宙表現為局部平坦，就好比在地球上我們所看到的大地是平直的一樣。
事實上，暴脹理論目前處在可實證宇宙學的邊緣。根據暴脹理論所推匯出的理論版圖，很多都尚未得到觀測驗證。這裏面最有意思的莫過於對於平行宇宙的思考。對於一個有限的宇宙，物理學家們尚可理解，一個無限大的宇宙，又該如何理解呢？明明在大霹靂之前什麽都沒有，怎麽現在一下子就變成無限大了呢？根據量子力學，我們不可能無限精度地確定一個粒子的位置。也就是說，對於給定一個局部空間範圍，裏面所有粒子的排列組合都是有限的。
這也就是說，一堆混亂的粒子隨機組合成我們身體或者我們的地球的機率並不是無窮小。而同時，宇宙又是無限大的。這意味著什麽？這意味著，在無限大的宇宙中，每一種你能想到的可能性都存在著，並且都存在著無數個。這意味著，在這個宇宙中某個非常遙遠的地方必然存在著一個一模一樣的星球。星球上存在著一個一模一樣的你，也正在讀著一模一樣的文章。
當然你們下一刻的動作可能會不太一樣。比如，你點了關註加收藏，而他只是點了個贊。但是在宇宙的其他地方，也必然存在著無數個一模一樣的你。他們也選擇了關註加收藏，而由於你們的距離相隔太遠，使用常規的旅行方式，你們將永遠都不可能有交集。本質上，這種平行宇宙其實只是現有宇宙的切片在無限空間裏的不斷重復。沒有什麽復雜的物理含義，而我們前面提到的爆炸理論實際上還提供了另外一種平行宇宙的可能性。
簡單來說就是，如果把現在的宇宙當作是一個在迅速膨脹的泡泡，那這樣的泡泡應該不止一個。這就是泡泡宇宙假說。不要覺得這種假說有點天方夜譚，理論上它可以透過觀測得到進一步證實。如果泡泡宇宙假說是對的，那我們的宇宙就有可能會與別的宇宙發生碰撞。而在兩個宇宙的連線處，它的空間區域將發生變化。這意味著什麽？這意味著它會在宇宙微波背景放射線中留下盤行壓痕。它就如同一塊圓形的暗沈瘀痕疊壓在宇宙微波背景之上。因此，我們可以從宇宙微波背景放射線中去尋找。雖然我們目前還沒有足夠的證據，但隨著下一代衛星的進步或許會有新的發現。
雖然狹義相對論禁止我們穿越到過去，但一個無限大的宇宙又為我們提供了無限的可能性。如果將來蟲洞真的可行，那我們完全可以前往那些一模一樣的地球副本。我們甚至可以選擇不同的朝代，甚至可以去到未來。到那時，你可以盡情地體驗穿越，而不用擔心祖父悖論的因果限制。
在浩瀚的宇宙面前，作為渺小人類的我們又該如何自處呢？曾經有網友問我，宇宙雖大，但我們終其一生卻都被困在這一個個狹小的空間裏，過著陀螺一樣的生活。不敢有絲毫松懈，我們逼迫自己殺死了所有的興趣，忘記了自己的初心，忘記了最初的感動。天天做著不喜歡的事，忙碌一生，感覺自己的生命已經變得毫無意義。這讓我想到了一句話，「以識乾坤大，猶憐草木青。」著名天文學家卡爾·薩根曾經說過，天文學是一門讓人更加謙卑的學科。
在遇到困難時，宏大的宇宙觀讓我們可以忘記自己，忘記那些自以為是，忘記一些所謂重要的或者不重要的事，忘記那些無關的評價。忘記那些計較與得失，更加親切和富有同情心地對待身邊的每一個人。同時也更加珍惜我們所在的這顆暗淡藍點，保護好這個我們目前所知唯一的家。
因為宇宙無限大，一個再小的機率，乘以無窮大，也可以大於一。所以，一切你認為有可能發生的事情都必然發生過，而且都發生過無數次。我們所有人一生中所有曾經發生過以及未來可能會發生的一切的悲歡離合、喜怒哀樂與愛恨情仇，在這個浩瀚宇宙中的某片星辰深處都自由地回響著。所以，下次當你失落、不開心時，不如擡頭看看這片星空。想想宇宙之大，你所期待的一切美好的可能性，在宇宙的某個角落都可能真實發生過。這或許能給你帶來些許安慰。
