在我小时候,科普书里流行的是爱因斯坦提出的超球面宇宙模型,他是根据广义相对论里的空间弯曲提出来的。把三维空间类比成二维的话,宇宙就在一个球体的表面,也就是一个球面上。当把它引申到三维,宇宙就是在一个四维超球体的表面上,也就是一个三维的超球面。需要注意的是,这里所说的球体或超球体是不存在的,也是不需要存在的。由于宇宙中物质质量的影响,导致空间弯曲起来直到弯曲成一个超球面,也就是这种弯曲达到一定曲率或者达到一定半径范围,就会自行闭合成一个球面,而不需要增加一个维度让它弯曲成为球面。也就是说空间弯曲并不需要增加维度。
不过这是但考虑空间的情况之下,而我们都知道,在广义相对论里,时空是统一的,也就是实际上还需要考虑时间,因此空间弯曲就不是在四维空间里弯曲,而是在时间里弯曲了。但是把时空作为一个整体时,又把它空间化来考虑空间弯曲是很难理解的,因此一般情况下我们考虑空间弯曲时就直接忽略时间好了。
爱因斯坦的超球面宇宙是没有边界的,因为你在二维下是找不到球面的边界的,同样在三维下你也找不到超球面的边界。但它是有限的,因为球面或超球面是有限的,它的半径由其曲率决定。
然而随着宇宙学的发展,加速膨胀的宇宙让人越来越怀疑宇宙是否真的有限。
当宇宙中的物质密度高于临界密度,宇宙会在引力作用下减速膨胀,(绿色和蓝色线所示)如果物质密度高于一个阈值,宇宙最终会在引力作用下收缩最终坍缩回0点(紫色线所示)。这种情况下,宇宙大尺度的曲率是正的,宇宙是有限无边的。当宇宙中的物质密度等于临界密度,宇宙将永远膨胀下去。(黄色线所示)这种情况下宇宙大尺度的曲率为0,宇宙是无限无边的。当宇宙中的物质密度低于临界密度,宇宙会持续加速膨胀,最终宇宙会分崩离析,这可能就是传说中的大撕裂吧。(红色线所示)这种情况下宇宙大尺度的曲率为负,宇宙同样是无限无边的。
你可能发现了,在考虑大尺度下的宇宙曲率时,就要考虑时间维度了,你可能会奇怪,宇宙里明明有物质能量,物质能量是会弯曲时空的,那时空曲率应该永远为正才对,为什么上面会出现曲率为0和曲率为负的情况?聪明宝宝可能已经发现了,答案就是膨胀。单纯考虑空间的话,曲率应该永远是正的,但是当你把膨胀考虑进去,曲率就有可能为零甚至为负。而膨胀是随时间变化的,也就是说在考虑宇宙大尺度的曲率时,时间不能忽略,而必须考虑进来。