本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定代表《大众科学》的观点
宇宙是三维的。
宇宙是四维的——三个维度是空间，一个维度是时间。
宇宙有九个、十个或十一个维度。
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物质使时空弯曲。
宇宙是平坦的。
宇宙是无限的。
宇宙宽 840 亿光年。
宇宙是一个气泡，或者一个洋葱。
或者一个镜厅，形状像足球。
或者一个来自但丁《神曲》的形状。
像这样的陈述经常出现在大众科学杂志中——包括《大众科学》——而且它们似乎彼此完全矛盾。但所有这些都是真的，或者至少是合理的。这是怎么回事？
微妙之处在于，“宇宙”这个词在不同的语境中具有不同的含义。在口语英语中，这个词通常被理解为“存在的一切事物”。因此，这种对宇宙的直观概念似乎是一个很好的起点。如果我们沿着这条思路思考，我们首先注意到的是，动词“存在”的现在时隐含地假设我们指的是“现在存在的一切事物”。
暂且不论“现在”是否可以具有普遍意义的问题——以及存在意味着什么的更微妙的本体论问题——将空间及其所有内容物的总和视为当前时间，并将这种总和想象为一个连续的实体，这是有意义的。
空间还是时空？
如果我们采取这条路线，我们可能会首先注意到空间在我们看来是三维的。因此，我们可以做出假设，即我们可以使用三个笛卡尔坐标在宇宙中定位任何事物：在我们称之为现在的这个凝固的瞬间，每个物体都在我们的三维连续体中占据一定的x、y 和 z。
因此，这里有一个关于宇宙的自然概念：当前时间的所有三维空间。称之为现时宇宙。
但是所有那些其他的维度呢？
诸如弦理论等奇异的理论构造假设，实际上，空间比我们所能看到的要多得多，但就目前而言，这些理论没有实验证据支持。因此，暂时我们不妨只关注我们熟悉的三维。
另一方面，时间确实是一个额外的维度，它与空间一起形成了一个更大的四维实体，称为时空。将现时宇宙视为这个四维空间中的一个三维切片是很自然的，就像水平面是我们三维世界中的二维切片一样。由于大多数人（包括我本人）很难可视化四维物体，因此思考时空的一种常见方法是假装空间只有两个维度。那么，时空将具有更易于管理的总共三个维度。从这种角度来看，现时宇宙是许多平行平面之一，每个平面都代表宇宙在其历史上的特定时间。
因此，看似不一致的
宇宙是三维的。宇宙是四维的——三个维度是空间，一个维度是时间。
宇宙有九个、十个或十一个维度。
只是澄清语言的问题。据我们所知，空间是三维的，时空是四维的；但如果弦理论是真的，那么空间最终会变成九维的，而时空则变成十维的。
顺便说一句，当宇宙学家谈论宇宙膨胀时，他们指的是空间一直在膨胀，而不是时空。
平坦还是弯曲？
在过去的十年里——您可能已经无数次读到这个新闻——宇宙学家发现了他们所说的相当有说服力的证据，证明宇宙（指的是三维空间）是平坦的，或者至少非常接近于平坦。
平坦与弯曲空间的准确含义值得单独写一篇文章，而这将是本系列第二部分的内容[更新于 7 月 31 日：阅读宇宙是平坦的，这是什么意思？第二部分：在其中我们实际回答了这个问题]。目前，将平面可视化为我们平坦物体的原型，并将地球表面可视化为我们弯曲物体的原型是很方便的。两者都是二维的，但正如我将在下一期中描述的那样，平坦性和弯曲性在任何维度上都说得通。
我在这里要谈论的是应该平坦的是什么。
当宇宙学家说宇宙是平坦的时，他们指的是空间——现时宇宙及其过去时间的平行兄弟姐妹。时空不是平坦的。它不可能是：爱因斯坦的广义相对论说物质和能量会使时空弯曲，并且周围有足够的物质和能量来提供曲率。此外，如果时空是平坦的，我就不会坐在这里，因为没有引力把我固定在椅子上。简而言之：即使时空不是平坦的，空间也可以是平坦的。
此外，当他们谈论空间的平坦性时，宇宙学家指的是宇宙的大尺度外观。当您“放大”并查看宇宙尺度以下的东西时，例如太阳系，空间——不仅仅是时空——绝对不是平坦的。美国宇航局历史上运行时间最长的实验重力探测器 B 最近获得了这一事实的令人瞩目的新证据，该实验直接测量了地球周围空间的曲率。（空间非平坦性的最极端情况被认为发生在黑洞的事件视界内，但那是另一个故事。）
在宇宙尺度上，无数恒星、黑洞、尘埃云、星系等在空间中产生的曲率仅仅是在整体上无聊地平坦的空间上的一堆小凸起。
因此，看似矛盾的
物质使时空弯曲。宇宙是平坦的
也很容易解释：时空是弯曲的，空间也是弯曲的；但在大尺度上，空间总体上是平坦的。
有限还是无限？
如果现时宇宙中的一切都具有 x、y 和 z，那么很自然地会假设我们可以将这些坐标推到任何值，无论多大。然后，一艘“沿着 x 轴”飞行的宇宙飞船可以永远前进。毕竟，有什么可以阻止她呢？空间需要有一些边界；大多数宇宙学家不认为它有。
然而，您可以永远前进这一事实并不意味着空间是无限的。想想我们居住的二维球体，地球表面。如果您登上飞机并飞过赤道，您可以一直飞行——您永远不会遇到“地球的尽头”。但是过一段时间（假设您有足够的燃料），您会回到同一个地方。原则上，类似的事情可能发生在我们的宇宙中：一艘朝一个方向飞行的宇宙飞船可能会在很长一段时间后从相反的方向重新出现。
或者也许不会。宇宙学家似乎相信宇宙会永远延伸下去而不会回来——特别是，空间具有无限的延伸。但当被追问时，大多数宇宙学家也会承认，事实上，他们不知道它是有限的还是无限的。
原则上，宇宙可能是有限的且没有边界的——就像地球表面一样，但在三个维度上。事实上，当爱因斯坦根据他的引力理论制定他的宇宙学愿景时，他假设宇宙是有限的。爱因斯坦的世界观根植于他深刻的、几乎是神秘的美学意识；最对称、最美学上完美的三维形状是三维球体。（有人认为但丁在他的《神曲》中描述宇宙的方式也与三维球体有关：我想这必须等到以后的文章了。）
在最近的时代，一些宇宙学家非常认真地对待这种可能性，并试图检查空间是否可能是三维球体，或者可能是一个更复杂的三维空间，本质上是一个围绕自身缠绕的球体[参见 Glenn D. Starkman、Jean-Pierre Luminet 和 Jeffrey R. Weeks 的“空间是有限的吗？”；《大众科学》，1999 年 4 月]。在具有这些形状之一的宇宙中，人们可能会观察到令人眼花缭乱的镜厅式效果。
我们不知道空间是有限还是无限的原因是，我们似乎无法观察到有限视界之外的事物。宇宙有 137 亿年的历史，而且由于没有任何东西可以超过光速传播，因此我们没有任何关于发生在一定距离之外的事件的信息。（由于太复杂而无法在此处详细说明的原因，最大距离实际上不是 137 亿光年。）
可观测宇宙
因此，我们知道的一件事是我们无法知道的：我们能够观测到的宇宙具有有限的延伸范围。宇宙学家经常将其称为可观测宇宙。
可观测宇宙有多大？这是一个出人意料的难题，这将是未来另一篇文章的主题。
现在，让我们注意到我们探测到的最遥远的星系发出光的时间大约是 132 亿年前。由于宇宙（指的是空间）自那时以来一直在膨胀，因此这些星系现在位于更远的距离——大约 260 亿光年之外。
甚至比最遥远的星系还要远，我们能够观测到的最遥远的物体，即复合时代之前存在的等离子体[参见血红色天空下]，大约存在于 137 亿年前，在大爆炸后的区区 40 万年。来自它的光需要 137 亿光年才能到达我们这里。我们在等离子体中“看到”的物质也进一步移动了：该物质现在估计距离我们 420 亿光年。这就是宇宙学家在说可观测宇宙半径为 420 亿光年时所谈论的内容。（当然，答案必须是 42。）
然而，关于可观测宇宙的奇异事实是，它不是现时宇宙的一部分。由于来自遥远星系的光需要数百万年才能到达我们这里，我们看到的是过去，而不是现在，而且距离越远，时间就越久远。因此，如果可观测宇宙不是现时宇宙的一部分，我们该如何描绘它？我们应该把它放在时空的哪里？ [待续]
本帖是关于宇宙学系列文章的一部分。以下是其他文章： 宇宙是平坦的，这是什么意思？，第二部分：在其中我们实际回答了这个问题
（“平坦”意味着“不弯曲”，但“弯曲”是什么意思？）
（关于可视化有限的光速）
（关于大爆炸的余辉，以及为什么天空过去会发出红光）
仍在继续：我们如何知道空间的曲率是生活的现实；如果空间非常弯曲，世界会是什么样子；可观测宇宙的曲率（和大小）是多少；以及可观测宇宙到底与但丁有什么关系。
哈勃超深空场图像由 NASA 友情提供。球体和平面图像由 Joe Doliner 友情提供。
非常感谢《大众科学》宇宙学大师乔治·穆瑟。