關于宇宙的形狀，科學界給出了三種構造理論。其一，是宇宙平面構造理論，即宇宙的幾何形狀是平面的，如同（二維）桌面的三維效果，除非是在靠近大質量恒星或星系的地方穿行，不然光在任何方向都是直線傳播的。

其余兩種分別是封閉構造理論和開放構造理論。封閉構造理論認為，如果你從一個方向一直走下去就會回到原點，聽起來宇宙似乎類似于球面，但請不要用三維的視角來理解它；而在開放構造理論中，如果我們粗略地以薯片表面的形狀做比方的話，宇宙呈現出兩個方向相異的弧形（馬鞍，也經常作為該理論的一個示例比方）。

宇宙中的物質種類及其相對數量決定了宇宙的幾何形狀，也最大程度決定了宇宙空間的樣貌。宇宙中有兩種針鋒相對的趨勢：其一是膨脹性，這是宇宙在其形成之初由于巨熱物體與放射物一道被擠入狹小空間中而造成的；其二是收縮性，來自于宇宙中所有物體的引力作用。

由于愛因斯坦已經預言物質會影響宇宙空間的幾何形狀，因此上述兩種趨勢還會決定宇宙的形狀。物質密度不足的宇宙（所有物體的引力不夠大）會永遠膨脹下去，以此形成一個開放的幾何形狀。

使宇宙停止膨脹的決定性單位容積能量被稱作“臨界密度”，即每個立方米中僅能容納大約5個氫原子。不斷地測量結果顯示，一般的原子物質只能達到約每立方米0.2個，遠遠低于這個臨界密度（準確來說，只有后者的4.8%）。

要使得普通原子達到臨界密度，就必須加入另外一種被稱作“暗物質”的物質。為什么稱其為“暗”物質呢？這是因為這種物質不發(fā)光，也就是說它們不會發(fā)出任何形式的電磁輻射。

我們之所以知道它的存在，是因為星系移動的速度快于其本身能夠達到的速度。天文學家也在測算那些像幽靈一樣圍繞在星系周圍的暗物質是怎樣扭曲星系空間的。這種空間扭曲十分壯觀。

天文學家通過觀察來自遙遠物體發(fā)出的光在經過鄰近星系時所發(fā)生的情形，來觀測這種扭曲現象。這種現象也被稱作“引力透鏡效應”，因為它的原理非常類似于普通透鏡的功能——使光路在通過鏡片時發(fā)生折曲。

如果把包括微波背景輻射等觀測信息加在一起的話，宇宙中暗物質的數量約為普通物質數量的6倍，同時使得宇宙密度達到了臨界密度值的25.9%。暗物質的本質（即其成分）仍然是現代宇宙學和粒子物理學的核心謎團之一。

盡管我們希望對暗物質的認識會隨著測算工具的進步而進步，但這跟宇宙水平線的存在有所不同——因為后者是不能克服的局限。

讀者可以通過超弦理論來理解超對稱理論中“超”字的意思，前者為整合廣義相對論與量子力學的備選理論。

截至2014年冬天，人們還沒有找到任何關于超對稱性理論的證據，盡管數十年以來這一理論一直為一部分物理學家所孜孜追求、狂熱支持。不過在目前這個節(jié)骨眼上，我們還不明確自然界中有多少懷疑超對稱理論的存在。

另一種解釋暗物質的方法在于給愛因斯坦的廣義相對論挑刺，而不是假定存在一套新的粒子種類。廣義相對論給引力作用所做出的解釋，只適用于大型星系間。對此，同樣沒有任何證據證明這個解釋也適用于其他一些天文觀測并與之契合。

對暗物質本質的困惑不解也從側面凸顯了工具驅動科學發(fā)現（發(fā)現新的宇宙成分）的作用，這些謎題受限于目前科學探索工具的精度和適用范圍。

我們知道星系有隱秘的一面，但是我們就是不知道這個障眼法究竟是什么。

如果我們只考慮原子、暗物質和輻射（雖然其貢獻率幾乎為零）的總質量（和能量），那宇宙將是一個開放的幾何形狀，只有臨界密度的30%左右。然而，這并非宇宙的全部圖景。

如果存在一個宇宙常數或類似之物的話，它的作用會使得宇宙向外延展。回想一下，正是愛因斯坦自己提出的這個常數，使他所認為的封閉的宇宙靜態(tài)化，而在得知哈勃發(fā)現宇宙膨脹定律后將其棄置。

在后來的一系列斗轉星移之后，有兩組天文學家通過測算，相當有力地證明類似于宇宙常數的物質不僅存在，還支配著我們宇宙視野中的一切物體。該測量是于1998年公布的，震驚了物理學界和天文學界。但沒有人愿意相信這一點。

隨著時間的流逝，這一結果經受住了無數的考驗和批評。而且，借助于強大的新工具，我們發(fā)現了一些前所未知的物體，同時也讓宇宙變得越加神秘。就如同對待暗物質一樣，我們知道那兒肯定有些什么，但就是不知道它具體是什么。

2011年，三組科研項目領頭人獲得了諾貝爾物理學獎，以此表彰他們在發(fā)現“暗能量”時所做的貢獻。

類似于一個宇宙常數，暗能量是一種神秘的實體，它不但能夠促使宇宙膨脹，而且能夠不斷加速宇宙膨脹的速度。更值得注意的是，如果按暗能量對宇宙密度所做的貢獻計算，人們會發(fā)現該數值略低于臨界密度的70%。

如果你將所有組成宇宙密度的物體考慮進來的話，結果令人詫異：暗能量不僅遠遠蓋過了其他所有或明或暗的宇宙物體，它們的總數還增加了臨界密度。這聽起來有些矯揉造作，實則句句屬實。相比于其他可能的值來說，宇宙內所有物體的整體密度十分接近于宇宙的臨界密度。如今測量顯示，宇宙物質的平均密度等于臨界值，精度大約有0.05%。

能夠產生生命的宇宙必須要達到一定的年齡，這樣星體才能經過數代生發(fā)出足夠多的化學物質。這些條件限制了宇宙密度與假想宇宙常數的可能值。最理想的宇宙會是一個物質密度正好處于臨界密度的宇宙，正如我們當前所在的宇宙一樣。

物理學家、作家保羅·戴維斯將之稱為“金發(fā)歌蒂的宇宙”（歌蒂是《格林童話》中的“金發(fā)歌蒂與三只小熊的故事”中的主人公，故事講的是歌蒂誤闖入三只小熊的家，看到桌上三碗麥片粥，冷的不喝，熱的不喝，要喝不冷不熱的。因此這里指的就是不冷不熱的最適宜的宇宙——譯者注）。事實上，人們也很容易認為我們的宇宙“就是最適宜”生命生存的。

目前的測算是如此精確，以至于物質和暗能量的密度都可以十分精準，精度可達0.5%。除非有特別的事情發(fā)生，未來暗能量在宇宙的統(tǒng)治地位將會被削弱，數據顯示我們生活在一個平坦的宇宙里，這樣的宇宙注定會永遠膨脹，且膨脹速率會一直上升。如果宇宙一直這樣加速膨脹的話，我們的子孫后代將面臨一個慘淡的未來。

空間持續(xù)拉伸，宇宙中多數的發(fā)光體都會被帶走，目前通過望遠鏡看見的銀河也是如此。隨著時間的推移，它們的消退速度將超過光速，新的宇宙視界將會出現，而星體的光也將無法抵達地球。最終，只有我們這個超星系團，包括銀河系在內的星系團和仙女座星系會通過它們相互間的引力而聯結在一起，盡管它們已與我們現在在夜空中看到的形狀大不相同了。

假如果真如此，在幾十億年后，銀河系與仙女星系可能會融為一體，成為一個大星系。在大約40億年后，太陽會變成一顆紅巨星，而地球上的生命將消失殆盡（事實上，由于太陽能量輸出的不穩(wěn)定性，這一切可能會提早發(fā)生）。

如果來自未來世界的宇宙學家不能獲知過去的觀察結果，他們就會以為他們生活在一個與我們完全不同的宇宙：視野里沒有消頹的星系，他們不知道什么是膨脹的宇宙，也不知道宇宙大爆炸是什么。

具有諷刺意味的是，他們的宇宙觀會回到靜態(tài)宇宙說，即一個包含銀河系的島宇宙介于本超星系團之間，周圍充斥著黑暗而空洞的空間。知識島邊界將會收縮，并最終隨著人類一起消亡，與之并行的是向知識島周圍不斷涌來的黑暗。一段時間以后，少數仍能發(fā)光的星體會變老，并漸漸從人類視野中消失。宇宙會變成近黑色，拜倫的夢魘將會變成現實。

節(jié)選自《求知簡史：從超越時空到認識自己》