關於宇宙是平的
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如果你想測驗一個人的科學知識水準，有一個問題特別有意思。你可以問他，宇宙是有限大，還是無限大的？
如果他回答宇宙是有限大的，那說明這個人具備了一定的科學素養。
以前哲學家一說起宇宙來就是什麼“空間上無邊無際，在時間上無始無終”。這個樸素的想法是有道理的，我們無法想像一個存在邊界的宇宙 —— 如果宇宙有邊界，那麼邊界之外是什麼呢？其實這個問題，
我們現在已經確切知道，宇宙在時間上肯定是有一個開端，那就是大爆炸。你要問在大爆炸之“前”是什麼？這個問題沒有意義，因為那時候“時間”並不存在。時間，是有限的。
那麼空間呢？宇宙完全可能是一個空間有限大，但又沒有邊界的存在。你只要想像一下地球的表面就明白了。地球的表面積是有限大的，
三維空間，也可以是彎曲的。
咱們首先明確一點，宇宙空間是三維的。有些科幻小說喜歡說宇宙空間是高維的，比如什麼四維空間、五維空間，這都是不對的。你可以在數學上證明，只有在三維空間中，行星軌道才可能是穩定的 —— 才允許有文明存在。
所以宇宙是三維的，但是是可以彎曲的三維空間。廣義相對論說“ 物質告訴時空怎麼彎曲，時空告訴物質怎麼運動 ”，我們現在有充分的觀測證據，大品質物體就彎曲了它周圍的空間。
那麼據此設想，
這個有限大、沒有邊界的彎曲空間，就是十多年以前科學家對宇宙空間的標準想像。比如霍金的《時間簡史》這本書裡講的宇宙空間模型就是這樣。
所以如果一個人說宇宙是有限大的，就說明他超越了傳統思維模式，具備了科學素養 —— 他心目中有一個彎曲空間的宇宙。
但是我們這個宇宙喜歡給物理學家製造驚喜。
2.平的？！過去十幾年間，科學家用地面望遠鏡和太空探測器反反復複在大尺度上觀測宇宙，發現空間……並不是彎曲的。最新的一個結果是在2013年底由“重子振動分光鏡勘測（Baryon Oscillation Spectroscopic Survey，簡稱 BOSS）”發現、2014年1月宣佈的：在大尺度上，宇宙空間是“異乎尋常的平直”。
像這樣超乎尋常的結論，科學家有超乎尋常的證據。彎曲空間中沒有真正的“平行線” —— 比如你在地球的赤道上畫兩條平行線，你會發現這兩條線會在極地交叉到一起；而如果空間曲率是負的，平行線之間的相互距離就會越來越遠。但是科學家測量遙遠星系的光，發現並沒有這種彎曲。
科學家還仔細考察了宇宙微波背景輻射的地圖。如果空間是彎曲的，這個圖就會有些彎曲，如下圖所示 ——
但是科學家觀察不到任何彎曲。現在觀測的結果，我們有誤差小於1%的精度，認為宇宙是平直的。
還有一個間接的辦法。根據廣義相對論，品質和能量可以讓空間發生彎曲，那麼你只要統計一下宇宙裡大概有多少的質能，就可以知道空間是怎麼彎曲的。科學家把已知的可見物質、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。在廣義相對論中還有一個理論上的“臨界質能密度”，我們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 Ω>1，那就說明宇宙裡物質比較多，引力比較大，宇宙空間的曲率就是正的，那麼宇宙就像一個球一樣彎曲；如果 Ω<1，那就說明物質比較少，引力比較小，那麼宇宙就會是一個像馬鞍形一樣的空間，是開放的。你猜計算結果的 Ω 是多少？
結果是 Ω = 1 ± 0.004。
也就是在0.4%的精度之內，Ω 正好等於 1。這說明我們這個宇宙的物質不多不少，引力不大不小，正好讓空間是平直的！
空間是平的，所以我們這個宇宙中三角形的內角之和正好等於180度，兩條平行線永遠不會相交。換句話說，你初中學的幾何學正好夠用，宇宙在大尺度上就是一個簡單的歐幾裡得空間。
這個看似平淡，實則驚心動魄的事實，給我們帶來了兩個問題：一個是學術問題，一個是想像力問題。
3.巧合，又見巧合先說學術問題。宇宙質能密度係數 Ω 正好等於1，這大約相當於每立方米中有5個氫原子的能量。可這是為啥呢？為什麼不是宇宙裡每立方米有4個或者6個氫原子呢？這個問題現在沒有人能解答。
現代物理學面臨一個“微調”問題，也就是標準模型有19個自由參數，無法從理論上解釋，簡直就是特意調成那樣的數值，好讓這個宇宙恰好適合生命存在。
今天這個 Ω 也有點“微調”的意思。其實 Ω 比1稍微大一點或者小一點，人類也能存在，但是 Ω = 1 也還是太巧了。為什麼非得讓空間這麼平呢？難道“上帝”有強迫症嗎？
4.怎樣理解“無限大”只要 Ω 等於或者小於1，宇宙空間就無法閉合，就是無限大的。一個平直而又沒有邊界的空間只可能無限大。事實上，在2014年最新測量結果出來，開新聞發佈會的時候，BOSS專案總負責人大衛·施萊格爾（David Schlegel）說，我們關心宇宙是不是平的，因為這關係到宇宙是有限大還是無限大的 —— 而“我們的觀測結果和無限大的宇宙相吻合（Our results are consistent with an infinite universe）。”
這是一個非常令人不安的結果，有限大是可以想像的，無限大是不可想像的。大爆炸之前什麼都沒有，然後現在怎麼就無限大了呢？
當然，你也可以說測量存在誤差，測量結果是 Ω = 1 ± 0.004 —— 也許 Ω 並不嚴格等於1，宇宙空間並不是嚴格平的。但即便如此，也意味著宇宙比我們能觀測的、甚至比我們能想像的，都要大得多得多，至少是“幾乎無限大”。
這麼大是什麼意思呢？物理學家對此也開了個腦洞，這會給你的想像力帶來極大的刺激。
首先我們要知道，宇宙沒有中心。空間的膨脹是哪裡都在膨脹，宇宙中遙遠的區域應該跟我們這裡差不多，有差不多密度的星體。從微波背景輻射圖來看，宇宙各個地方大體上就是差不多的，我們這裡，一點都不特殊。
其次，你還要知道，根據量子力學，給定這麼一堆物質，不管他們的排列組合有多少不同的可能，也一定是有限的。這意味著所有可能的文明世界形態，也只有有限多種。
好。那麼如果宇宙是無限大或者近乎無限大的，而我們這裡並不特殊，而文明又只有有限多種，這意味著什麼呢？
意味著每一種可能都有幾乎無限多個副本。
說白了，就是非常遙遠的某個地方，存在著一個跟地球一模一樣的星球。在那個星球上，存在著和我們一模一樣的人。其中就有一個一模一樣的“你”，也正在看著這篇文章！
當然，你和他的下一步行動可能是不同的，—— 但不論如何，還存在另外無數個同樣的你，他們和你做了相同行動。
甚至有人已經估算了這樣的星球距離我們有多遠。最近的那個一模一樣的你，距離你大約是10的（10的29次方）次方，米。
這當然是個不可思議的數字。使用常規的旅行方式你永遠也不可能見到他，也永遠無法和他取得聯繫，他有極大的可能性是我們可見宇宙範圍之外。
這是一個非常好的科幻小說素材，它意味著網路小說流行的“穿越”在邏輯上是可能的。物理學家不太相信什麼“時間旅行”，說你回到我們這個地球曾經經歷過的明朝末年，那不太可能，會造成因果關係的紊亂。但是，如果宇宙中存在另外一個地球，那個地球和我們一樣，不過它正好處於明朝末年，其中也有崇禎、魏忠賢、袁崇煥這些人物。如果你能通過什麼蟲洞之類的機制前往那個地球，那你盡可以隨便折騰，不用擔心影響我們這裡的歷史。
考慮到宇宙是無限大或者近乎無限大的，你可以認為一切“有可能發生”的事情，就都發生過、而且都會發生幾乎無數次。因為再小的概率乘以一個幾乎無窮大的數也可以大於1。
下次買彩票沒中獎，或者跟意中人失之交臂的時候，想到宇宙之大，那個你希望的可能性畢竟在某一處發生了，你也許會感到些許安慰。
撰稿：說破一句驚煞人
像這樣超乎尋常的結論，科學家有超乎尋常的證據。彎曲空間中沒有真正的“平行線” —— 比如你在地球的赤道上畫兩條平行線，你會發現這兩條線會在極地交叉到一起；而如果空間曲率是負的，平行線之間的相互距離就會越來越遠。但是科學家測量遙遠星系的光，發現並沒有這種彎曲。
科學家還仔細考察了宇宙微波背景輻射的地圖。如果空間是彎曲的，這個圖就會有些彎曲，如下圖所示 ——
但是科學家觀察不到任何彎曲。現在觀測的結果，我們有誤差小於1%的精度，認為宇宙是平直的。
還有一個間接的辦法。根據廣義相對論，品質和能量可以讓空間發生彎曲，那麼你只要統計一下宇宙裡大概有多少的質能，就可以知道空間是怎麼彎曲的。科學家把已知的可見物質、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。在廣義相對論中還有一個理論上的“臨界質能密度”，我們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 Ω>1，那就說明宇宙裡物質比較多，引力比較大，宇宙空間的曲率就是正的，那麼宇宙就像一個球一樣彎曲；如果 Ω<1，那就說明物質比較少，引力比較小，那麼宇宙就會是一個像馬鞍形一樣的空間，是開放的。你猜計算結果的 Ω 是多少？
結果是 Ω = 1 ± 0.004。
也就是在0.4%的精度之內，Ω 正好等於 1。這說明我們這個宇宙的物質不多不少，引力不大不小，正好讓空間是平直的！
空間是平的，所以我們這個宇宙中三角形的內角之和正好等於180度，兩條平行線永遠不會相交。換句話說，你初中學的幾何學正好夠用，宇宙在大尺度上就是一個簡單的歐幾裡得空間。
這個看似平淡，實則驚心動魄的事實，給我們帶來了兩個問題：一個是學術問題，一個是想像力問題。
3.巧合，又見巧合先說學術問題。宇宙質能密度係數 Ω 正好等於1，這大約相當於每立方米中有5個氫原子的能量。可這是為啥呢？為什麼不是宇宙裡每立方米有4個或者6個氫原子呢？這個問題現在沒有人能解答。
現代物理學面臨一個“微調”問題，也就是標準模型有19個自由參數，無法從理論上解釋，簡直就是特意調成那樣的數值，好讓這個宇宙恰好適合生命存在。
今天這個 Ω 也有點“微調”的意思。其實 Ω 比1稍微大一點或者小一點，人類也能存在，但是 Ω = 1 也還是太巧了。為什麼非得讓空間這麼平呢？難道“上帝”有強迫症嗎？
4.怎樣理解“無限大”只要 Ω 等於或者小於1，宇宙空間就無法閉合，就是無限大的。一個平直而又沒有邊界的空間只可能無限大。事實上，在2014年最新測量結果出來，開新聞發佈會的時候，BOSS專案總負責人大衛·施萊格爾（David Schlegel）說，我們關心宇宙是不是平的，因為這關係到宇宙是有限大還是無限大的 —— 而“我們的觀測結果和無限大的宇宙相吻合（Our results are consistent with an infinite universe）。”
這是一個非常令人不安的結果，有限大是可以想像的，無限大是不可想像的。大爆炸之前什麼都沒有，然後現在怎麼就無限大了呢？
當然，你也可以說測量存在誤差，測量結果是 Ω = 1 ± 0.004 —— 也許 Ω 並不嚴格等於1，宇宙空間並不是嚴格平的。但即便如此，也意味著宇宙比我們能觀測的、甚至比我們能想像的，都要大得多得多，至少是“幾乎無限大”。
這麼大是什麼意思呢？物理學家對此也開了個腦洞，這會給你的想像力帶來極大的刺激。
首先我們要知道，宇宙沒有中心。空間的膨脹是哪裡都在膨脹，宇宙中遙遠的區域應該跟我們這裡差不多，有差不多密度的星體。從微波背景輻射圖來看，宇宙各個地方大體上就是差不多的，我們這裡，一點都不特殊。
其次，你還要知道，根據量子力學，給定這麼一堆物質，不管他們的排列組合有多少不同的可能，也一定是有限的。這意味著所有可能的文明世界形態，也只有有限多種。
好。那麼如果宇宙是無限大或者近乎無限大的，而我們這裡並不特殊，而文明又只有有限多種，這意味著什麼呢？
意味著每一種可能都有幾乎無限多個副本。
說白了，就是非常遙遠的某個地方，存在著一個跟地球一模一樣的星球。在那個星球上，存在著和我們一模一樣的人。其中就有一個一模一樣的“你”，也正在看著這篇文章！
當然，你和他的下一步行動可能是不同的，—— 但不論如何，還存在另外無數個同樣的你，他們和你做了相同行動。
甚至有人已經估算了這樣的星球距離我們有多遠。最近的那個一模一樣的你，距離你大約是10的（10的29次方）次方，米。
這當然是個不可思議的數字。使用常規的旅行方式你永遠也不可能見到他，也永遠無法和他取得聯繫，他有極大的可能性是我們可見宇宙範圍之外。
這是一個非常好的科幻小說素材，它意味著網路小說流行的“穿越”在邏輯上是可能的。物理學家不太相信什麼“時間旅行”，說你回到我們這個地球曾經經歷過的明朝末年，那不太可能，會造成因果關係的紊亂。但是，如果宇宙中存在另外一個地球，那個地球和我們一樣，不過它正好處於明朝末年，其中也有崇禎、魏忠賢、袁崇煥這些人物。如果你能通過什麼蟲洞之類的機制前往那個地球，那你盡可以隨便折騰，不用擔心影響我們這裡的歷史。
考慮到宇宙是無限大或者近乎無限大的，你可以認為一切“有可能發生”的事情，就都發生過、而且都會發生幾乎無數次。因為再小的概率乘以一個幾乎無窮大的數也可以大於1。
下次買彩票沒中獎，或者跟意中人失之交臂的時候，想到宇宙之大，那個你希望的可能性畢竟在某一處發生了，你也許會感到些許安慰。
撰稿：說破一句驚煞人