宇宙的形状

宇宙的形状从黎曼度规曲面（英语：Curvature of Riemannian manifolds）与时空拓扑（英语：Spacetime topology）的角度而言^{[注 1]}，可分为宇宙的局部与全域几何形状。宇宙的形状与主要叙述时空如何借由质量与能量扭曲与弯折的广义相对论有关。

宇宙形状

宇宙的形状有可观测宇宙与全域宇宙的差别。可观测宇宙原则上是宇宙的一部分，在观察上受到有限的光速与宇宙年龄的影响。在人们的理解当中，可观测宇宙是以地球为球心，直径930亿光年（8.8 × 10²⁶米）的球体，且在任何一个观察点性质皆相似^{[注 2]}。

分类

依据《我们数学的宇宙（英语：Our Mathematical Universe）》，全域宇宙的形状可以解释成以下3种分类^[1]：

1. 有限与无限；
2. 封闭^{[注 3]}与开放^{[注 4]}以及扁平^{[注 5]}
3. 单连通或多连通^{[注 6]}

上述特性皆具有一定的逻辑关联。举例来说，正曲率的宇宙必然为有限宇宙^[2]。一般人们假设一个扁平或负曲率的宇宙具有无限的特质，但如果这些宇宙在拓朴学上并不平凡，就不一定具有无限的性质^[2]。

由于宇宙膨胀的速率是时间函数，会随宇宙的几何特性而有不同，所以宇宙的形状将会决定宇宙的终极命运。

自1997年的毫米波段气球观天计划开始的一连串宇宙微波背景辐射测量实验，观测结果皆表示宇宙的几何结构基本上是平坦的。后续的WMAP及普朗克卫星的相关测量也有相同结论。

另见

• 庞加莱猜想
• 弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃尔克度规

注释

1. 虽然严格来说，宇宙形状的概念已经超越这两种角度
2. 即假设宇宙为各向同性，从目前所在点观测起来似乎就是如此
3. closed universe、正曲率
4. open universe、负曲率
5. flat universe、没有曲率
6. 连通性，也就是宇宙如何连结起来

参考文献

1. Tegmark, Max. Our Mathematical Universe: My Quest for the Ultimate Nature of Reality 1. Knopf. 2014. ISBN 978-0307599803.
2. G. F. R. Ellis; H. van Elst. Cosmological models (Cargèse lectures 1998). Marc Lachièze-Rey (编). Theoretical and Observational Cosmology. NATO Science Series C 541: 22. 1999. Bibcode:1999toc..conf....1E. ISBN 978-0792359463. arXiv:gr-qc/9812046 .