本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定代表《大眾科學》的觀點
宇宙是三維的。
宇宙是四維的——三個維度是空間，一個維度是時間。
宇宙有九個、十個或十一個維度。
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物質使時空彎曲。
宇宙是平坦的。
宇宙是無限的。
宇宙寬 840 億光年。
宇宙是一個氣泡，或者一個洋蔥。
或者一個鏡廳，形狀像足球。
或者一個來自但丁《神曲》的形狀。
像這樣的陳述經常出現在大眾科學雜誌中——包括《大眾科學》——而且它們似乎彼此完全矛盾。但所有這些都是真的，或者至少是合理的。這是怎麼回事？
微妙之處在於，“宇宙”這個詞在不同的語境中具有不同的含義。在口語英語中，這個詞通常被理解為“存在的一切事物”。因此，這種對宇宙的直觀概念似乎是一個很好的起點。如果我們沿著這條思路思考，我們首先注意到的是，動詞“存在”的現在時隱含地假設我們指的是“現在存在的一切事物”。
暫且不論“現在”是否可以具有普遍意義的問題——以及存在意味著什麼的更微妙的本體論問題——將空間及其所有內容物的總和視為當前時間，並將這種總和想象為一個連續的實體，這是有意義的。
空間還是時空？
如果我們採取這條路線，我們可能會首先注意到空間在我們看來是三維的。因此，我們可以做出假設，即我們可以使用三個笛卡爾座標在宇宙中定位任何事物：在我們稱之為現在的這個凝固的瞬間，每個物體都在我們的三維連續體中佔據一定的x、y 和 z。
因此，這裡有一個關於宇宙的自然概念：當前時間的所有三維空間。稱之為現時宇宙。
但是所有那些其他的維度呢？
諸如弦理論等奇異的理論構造假設，實際上，空間比我們所能看到的要多得多，但就目前而言，這些理論沒有實驗證據支援。因此，暫時我們不妨只關注我們熟悉的三維。
另一方面，時間確實是一個額外的維度，它與空間一起形成了一個更大的四維實體，稱為時空。將現時宇宙視為這個四維空間中的一個三維切片是很自然的，就像水平面是我們三維世界中的二維切片一樣。由於大多數人（包括我本人）很難視覺化四維物體，因此思考時空的一種常見方法是假裝空間只有兩個維度。那麼，時空將具有更易於管理的總共三個維度。從這種角度來看，現時宇宙是許多平行平面之一，每個平面都代表宇宙在其歷史上的特定時間。
因此，看似不一致的
宇宙是三維的。宇宙是四維的——三個維度是空間，一個維度是時間。
宇宙有九個、十個或十一個維度。
只是澄清語言的問題。據我們所知，空間是三維的，時空是四維的；但如果弦理論是真的，那麼空間最終會變成九維的，而時空則變成十維的。
順便說一句，當宇宙學家談論宇宙膨脹時，他們指的是空間一直在膨脹，而不是時空。
平坦還是彎曲？
在過去的十年裡——您可能已經無數次讀到這個新聞——宇宙學家發現了他們所說的相當有說服力的證據，證明宇宙（指的是三維空間）是平坦的，或者至少非常接近於平坦。
平坦與彎曲空間的準確含義值得單獨寫一篇文章，而這將是本系列第二部分的內容[更新於 7 月 31 日：閱讀宇宙是平坦的，這是什麼意思？第二部分：在其中我們實際回答了這個問題]。目前，將平面視覺化為我們平坦物體的原型，並將地球表面視覺化為我們彎曲物體的原型是很方便的。兩者都是二維的，但正如我將在下一期中描述的那樣，平坦性和彎曲性在任何維度上都說得通。
我在這裡要談論的是應該平坦的是什麼。
當宇宙學家說宇宙是平坦的時，他們指的是空間——現時宇宙及其過去時間的平行兄弟姐妹。時空不是平坦的。它不可能是：愛因斯坦的廣義相對論說物質和能量會使時空彎曲，並且周圍有足夠的物質和能量來提供曲率。此外，如果時空是平坦的，我就不會坐在這裡，因為沒有引力把我固定在椅子上。簡而言之：即使時空不是平坦的，空間也可以是平坦的。
此外，當他們談論空間的平坦性時，宇宙學家指的是宇宙的大尺度外觀。當您“放大”並檢視宇宙尺度以下的東西時，例如太陽系，空間——不僅僅是時空——絕對不是平坦的。美國宇航局歷史上執行時間最長的實驗重力探測器 B 最近獲得了這一事實的令人矚目的新證據，該實驗直接測量了地球周圍空間的曲率。（空間非平坦性的最極端情況被認為發生在黑洞的事件視界內，但那是另一個故事。）
在宇宙尺度上，無數恆星、黑洞、塵埃雲、星系等在空間中產生的曲率僅僅是在整體上無聊地平坦的空間上的一堆小凸起。
因此，看似矛盾的
物質使時空彎曲。宇宙是平坦的
也很容易解釋：時空是彎曲的，空間也是彎曲的；但在大尺度上，空間總體上是平坦的。
有限還是無限？
如果現時宇宙中的一切都具有 x、y 和 z，那麼很自然地會假設我們可以將這些座標推到任何值，無論多大。然後，一艘“沿著 x 軸”飛行的宇宙飛船可以永遠前進。畢竟，有什麼可以阻止她呢？空間需要有一些邊界；大多數宇宙學家不認為它有。
然而，您可以永遠前進這一事實並不意味著空間是無限的。想想我們居住的二維球體，地球表面。如果您登上飛機並飛過赤道，您可以一直飛行——您永遠不會遇到“地球的盡頭”。但是過一段時間（假設您有足夠的燃料），您會回到同一個地方。原則上，類似的事情可能發生在我們的宇宙中：一艘朝一個方向飛行的宇宙飛船可能會在很長一段時間後從相反的方向重新出現。
或者也許不會。宇宙學家似乎相信宇宙會永遠延伸下去而不會回來——特別是，空間具有無限的延伸。但當被追問時，大多數宇宙學家也會承認，事實上，他們不知道它是有限的還是無限的。
原則上，宇宙可能是有限的且沒有邊界的——就像地球表面一樣，但在三個維度上。事實上，當愛因斯坦根據他的引力理論制定他的宇宙學願景時，他假設宇宙是有限的。愛因斯坦的世界觀根植於他深刻的、幾乎是神秘的美學意識；最對稱、最美學上完美的三維形狀是三維球體。（有人認為但丁在他的《神曲》中描述宇宙的方式也與三維球體有關：我想這必須等到以後的文章了。）
在最近的時代，一些宇宙學家非常認真地對待這種可能性，並試圖檢查空間是否可能是三維球體，或者可能是一個更復雜的三維空間，本質上是一個圍繞自身纏繞的球體[參見 Glenn D. Starkman、Jean-Pierre Luminet 和 Jeffrey R. Weeks 的“空間是有限的嗎？”；《大眾科學》，1999 年 4 月]。在具有這些形狀之一的宇宙中，人們可能會觀察到令人眼花繚亂的鏡廳式效果。
我們不知道空間是有限還是無限的原因是，我們似乎無法觀察到有限視界之外的事物。宇宙有 137 億年的歷史，而且由於沒有任何東西可以超過光速傳播，因此我們沒有任何關於發生在一定距離之外的事件的資訊。（由於太複雜而無法在此處詳細說明的原因，最大距離實際上不是 137 億光年。）
可觀測宇宙
因此，我們知道的一件事是我們無法知道的：我們能夠觀測到的宇宙具有有限的延伸範圍。宇宙學家經常將其稱為可觀測宇宙。
可觀測宇宙有多大？這是一個出人意料的難題，這將是未來另一篇文章的主題。
現在，讓我們注意到我們探測到的最遙遠的星系發出光的時間大約是 132 億年前。由於宇宙（指的是空間）自那時以來一直在膨脹，因此這些星系現在位於更遠的距離——大約 260 億光年之外。
甚至比最遙遠的星系還要遠，我們能夠觀測到的最遙遠的物體，即複合時代之前存在的等離子體[參見血紅色天空下]，大約存在於 137 億年前，在大爆炸後的區區 40 萬年。來自它的光需要 137 億光年才能到達我們這裡。我們在等離子體中“看到”的物質也進一步移動了：該物質現在估計距離我們 420 億光年。這就是宇宙學家在說可觀測宇宙半徑為 420 億光年時所談論的內容。（當然，答案必須是 42。）
然而，關於可觀測宇宙的奇異事實是，它不是現時宇宙的一部分。由於來自遙遠星系的光需要數百萬年才能到達我們這裡，我們看到的是過去，而不是現在，而且距離越遠，時間就越久遠。因此，如果可觀測宇宙不是現時宇宙的一部分，我們該如何描繪它？我們應該把它放在時空的哪裡？ [待續]
本帖是關於宇宙學系列文章的一部分。以下是其他文章： 宇宙是平坦的，這是什麼意思？，第二部分：在其中我們實際回答了這個問題
（“平坦”意味著“不彎曲”，但“彎曲”是什麼意思？）
（關於視覺化有限的光速）
（關於大爆炸的餘輝，以及為什麼天空過去會發出紅光）
仍在繼續：我們如何知道空間的曲率是生活的現實；如果空間非常彎曲，世界會是什麼樣子；可觀測宇宙的曲率（和大小）是多少；以及可觀測宇宙到底與但丁有什麼關係。
哈勃超深空場影像由 NASA 友情提供。球體和平面圖像由 Joe Doliner 友情提供。
非常感謝《大眾科學》宇宙學大師喬治·穆瑟。