如果有人問你一個物體的大小，那首先你肯定要知道這個物體的形狀，也就是幾何結(jié)構(gòu)，然后才能根據(jù)一些已知幾何公式去算這個東西的面積或者是體積，這是最基本的一個操作流程。

那我現(xiàn)在問你宇宙有多大？這個問題怎么回答？同樣的道理，我首先要知道宇宙的形狀，或者是幾何結(jié)構(gòu)，才能去估摸整個宇宙的大小。

那宇宙怎么會有形狀呢？哎，還真有！在牛頓生活的那個時代，當(dāng)時人們根本就沒有考慮過空間的形狀這個問題，因為牛頓認為空間就是一個絕對不變的、平坦的三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。

你空間中的物質(zhì)不管怎樣運動，不管數(shù)量是多少，不管如何分布，它都不會影響到空間這個剛性的結(jié)構(gòu)，在這樣想法下，那整個宇宙就是一個絕對不變的、靜止的、無限的世界。

但愛因斯斯坦不這樣認為，一個受廣義相對論支配的宇宙，它不再是牛頓眼里的宇宙，而是一個物質(zhì)和能量的數(shù)量、空間曲率、以及宇宙膨脹速率，這三者之間有著復(fù)雜關(guān)系的宇宙。

這一點很好理解，我舉個例子，我們的太陽作為一個能量的集合，它處在宇宙的空間中，就會極度地彎曲它周圍的時空，甚至當(dāng)光線經(jīng)過太陽身邊的時候，都會發(fā)生偏折。

我們的地球也一樣，它周圍的空間也是彎曲的，這就是物質(zhì)對局部空間所帶來的影響。那么，如果宇宙中的物質(zhì)和能量分布的各項同性，也就是各個方向的密度都一樣，均勻，也就是各個位置的密度都一樣，那么整個宇宙中的物質(zhì)和能量是不是也會對整個宇宙的空間產(chǎn)生一個彎曲。這很好理解吧。

而宇宙膨脹率它也在拉扯著整個宇宙的空間，使得宇宙不斷地擴張，這也會造成宇宙空間曲率發(fā)生變化，因此宇宙空間的曲率就受到了膨脹率以及物質(zhì)和，能量數(shù)量的影響。

它們?nèi)咧g滿足的關(guān)系就是弗里德曼方程，這個方程被寫出來的時間是1922年，比哈勃發(fā)現(xiàn)遙遠星系正在遠離我們的事實，還早了那么幾年。這就是理論物理學(xué)的偉大之處，它可以預(yù)測一些事實。

那既然物質(zhì)可以彎曲時空，整個宇宙的空間可能存在曲率，尤其是當(dāng)你想到地球周圍的空間是彎曲的，那你可能會產(chǎn)生這樣的疑問，我為什么感覺不到，看不到我生活的空間是彎曲的？

是這樣的，我們作為三維空間中的生物，很難想象出三維空間彎曲以后的模樣，也無法感受到空間的彎曲，只能體會到空間彎曲所帶來的結(jié)果，那就是引力時時刻刻把我們按在地球表面上。

這就跟一個行走在二維曲面上的生物一樣，由于缺乏了上下這個維度，所以它也感覺不到它走在曲面上，它就認為它走在二維平面上。

作為三維空間的我們，對于二維結(jié)構(gòu)來說，就可以從更高的維度去俯瞰二維結(jié)構(gòu)，我們一眼就能看出來這個二維面，它到底是平坦的結(jié)構(gòu)，還是正曲率的彎曲結(jié)構(gòu)，或者是負曲率的彎曲結(jié)構(gòu)。

如果有一個四維空間的高等生物，它也能從另外一個維度俯瞰我們的三維結(jié)構(gòu)，也能一眼看出來，我們的三維空間，是平坦的、還是正彎曲、或者是負彎曲的結(jié)構(gòu)。

那么問題是，作為生活在二維空間、三維空間的生物，它們能不能自己測量出自己所生活空間的曲率呢？

完全可以！辦法也很簡單，那就是畫三角形。

你拿一張紙，在上面畫個三角形，不管你怎樣畫，也不管三角形的大小，這個三角形的內(nèi)角之和都等于180°。

但是你在一個正曲率的球面上畫三角形，三角形的內(nèi)角和將大于180°，如果你在一個負曲率的二維面上畫三角形，它的內(nèi)角和會小于180°。

所以一個二維面上生活的生物，它們就可以通過在大尺度上畫三角形，通過測量三角形，三個頂點的角度，以及距離，通過簡單的幾何計算，就能夠知道自己生活的二維面的曲率是多少，當(dāng)然也能算出它們的世界有多大。

原則上我們也可以用這個方法去測量地球表面的曲率，也能夠知道地球的形狀和大小。不過現(xiàn)在的人類用不著這么麻煩，我們可以直接飛出地球的二維表面，從更大的三維空間中去俯瞰整個地球。

那么整個宇宙呢？

整個宇宙的空間，它有可能就只是簡單的，由二維結(jié)構(gòu)構(gòu)成的三維結(jié)構(gòu)，當(dāng)然在想得深一點，它還有可能是由三維結(jié)構(gòu)構(gòu)成的，更高維的結(jié)構(gòu)。

但不管是哪一種，我們都無法去俯瞰整個宇宙的模樣，所以我們就需要去測量宇宙空間的曲率。

那怎么測？老辦法，還是畫三角形。但這個三角形，不是局限于我們的太陽系、銀河系、甚至是本地星系團，而是要在更大的尺度結(jié)構(gòu)上去畫。三角形的三個點之間的距離至少要有幾十億光年。

選擇好三個點以后，然后這三個點向?qū)Ψ交グl(fā)光信號，如果宇宙空間根本沒有曲率，那么光線就不會彎曲，如果有曲率那么三角形的內(nèi)角和就一定不是180°。

方法聽起來簡單，但沒有操作性，人們?nèi)ゲ涣四敲催h的距離，就算有外星人配合我們，發(fā)射一次信號被對方接受到也需要幾十億年的時間，到時候外星人可能都滅絕了。

那怎么辦？別忘了在宇宙中還有一種非常古老的光信號，它們起源于大爆炸后的38萬年。我們現(xiàn)在說宇宙的物質(zhì)分布是均勻的，但是在宇宙的早期，物質(zhì)分布得更加均勻，

不過并不是絕對的均勻，在均勻之中還存在微小的缺陷，也就是某些地方的密度會高于平均水平，某些地方的密度會低于平均水平，這種微小的密度波動的模式就被體現(xiàn)在了可觀測的熱輻射當(dāng)中，這些輻射就是大爆炸遺留下來的微波背景。

在微波背景輻射當(dāng)中，來自熱點的光線經(jīng)過遙遠的距離帶來地球上，如果宇宙空間是平坦的，那么我們觀察到的熱點就是它真實的大小，而且在微波背景上，在特定的距離尺度中，會有一定數(shù)量的熱點和冷點，它們的分布看起來很均勻，而且大小也看起來很均勻。

如果宇宙的空間存在正曲率，那么熱點就會被放大，存在負曲率那么熱點就會被縮小，在這兩種情況當(dāng)中，在特定的距離尺度上，熱點和冷點的大小，以及分布是不均勻的。

20世紀90年代末的時候，通過對微波背景輻射的觀察，人們就首次確認了宇宙空間整體來說沒有明顯的曲率，這個觀測結(jié)果也被后來的普朗克衛(wèi)星證實，宇宙確實是平坦的。

那宇宙到底有多大？

首先我們要知道的是，我們測量出來的宇宙是平坦的，是一個沒有明顯曲率的三維空間結(jié)構(gòu)，但是這只是我們能夠觀察到的宇宙，也就是我們的可觀測宇宙，直徑大約為920億光年。

但這并不意味著整個宇宙就沒有曲率，這就像是我們站在地球上，看不到地球的曲率一樣，因為我們?nèi)祟惖某叨忍×耍?/p>

我們可觀測到的宇宙對于整個宇宙來說，只是很小很小的一部分，所以這就有可能造成我們在觀測精度不夠的情況下，看不到宇宙的曲率。

因此我們還是相信，我們的可觀測宇宙依然有一個很小的內(nèi)在曲率，只是我們看不到而已。

假如我們的宇宙真的有一個正曲率，那么做一個最保守的估計，整個宇宙的大小將是我們可觀測宇宙的1500萬倍。

所以我們只看到了極小的一部分宇宙，如果我們在把暗能量考慮進來的話，那么未來我們在天空中所能看到的東西會越來越少。