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宇宙有盡頭嗎？ 宇宙有盡頭嗎？這個(gè)問(wèn)題一直是科學(xué)界的焦點(diǎn)，也一直困擾著人類。自古各國(guó)科學(xué)家就在爭(zhēng)相討論這個(gè)問(wèn)題，在物理學(xué)的研究領(lǐng)域中，這也是最大的一個(gè)問(wèn)題，即宇宙學(xué)。 在伽利略與牛頓之前，傳統(tǒng)的宇宙結(jié)構(gòu)認(rèn)為它是一個(gè)有限邊的世界。在哥白尼的太陽(yáng)中心說(shuō)中仍保持著有限有邊的結(jié)構(gòu)圖式，而到了牛頓時(shí)代，有關(guān)科學(xué)家開始普遍采用無(wú)限無(wú)邊的觀點(diǎn)，即認(rèn)為宇宙的體積是無(wú)限的，也沒有空間邊界。雖然愛因斯坦的廣義相對(duì)論提出了宇宙是個(gè)有限無(wú)邊的體系，而牛頓力學(xué)的無(wú)限無(wú)邊體系和亞里士多德的有限有邊體系又有力地反駁了這一觀點(diǎn)，目前這些觀點(diǎn)并沒有得到科學(xué)家的一致認(rèn)同，甚至有人認(rèn)為宇宙空間會(huì)隨著歲月的變遷而不斷膨脹，因?yàn)榭臻g是無(wú)邊無(wú)際的，時(shí)間是無(wú)始無(wú)終的。而到底宇宙是否有盡頭，這一直是個(gè)難以解釋的謎，所以這有待與我們?nèi)ミM(jìn)一步發(fā)現(xiàn)…… 應(yīng)該問(wèn)我們生活的宇宙是否有盡頭 N種可能：1、宇宙外是另一個(gè)宇宙 推出 我們生活的宇宙有盡頭 2、宇宙外是一個(gè)非宇宙 推出 我們生活的宇宙沒有盡頭 3、宇宙外是多個(gè)平行宇宙 推出 我們生活的宇宙有盡頭 4、宇宙外是多個(gè)平行非宇宙 推出 我們生活的宇宙沒有盡頭 5、宇宙外是多個(gè)相交宇宙 推出 我們生活的宇宙有盡頭 6、宇宙外是多個(gè)相交非宇宙 推出 我們生活的宇宙沒有盡頭 7、宇宙沒有外部空間 推出 我們生活的宇宙沒有盡頭 。。。。。。 目前科學(xué)家只研究出這么多 多維宇宙假說(shuō)尚在研究討論中。 宇宙的盡頭在哪里 宇宙是否有盡頭? 宇宙有盡頭么？宇宙以外是什么樣子？？ 有限、無(wú)限及宇宙的邊界 1917年，愛因斯坦發(fā)表了著名的“廣義相對(duì)論”，為我們研究大尺度、大質(zhì)量的宇宙提供了比牛頓“萬(wàn)有引力定律”更先進(jìn)的武器。應(yīng)用后，科學(xué)家解決了恒星一生的演化問(wèn)題。而宇宙是否是靜止的呢?對(duì)這一問(wèn)題，連愛因斯坦也犯了一個(gè)大錯(cuò)誤。他認(rèn)為宇宙是靜止的，然而1929年美國(guó)天文學(xué)家哈勃以不可辯駁的實(shí)驗(yàn)，證明了宇宙不是靜止的，而是向外膨脹的。正像我們吹一只大氣球一樣，恒星都在離我們遠(yuǎn)去。離我們?cè)竭h(yuǎn)的恒星，遠(yuǎn)離我們的速度也就越快?？梢酝葡耄喝绻嬖谶@樣的恒星，它離我們足夠遠(yuǎn)以至于它離開我們的速度達(dá)到光速的時(shí)候，它發(fā)出的光就永遠(yuǎn)也不可能到達(dá)我們的地球了。從這個(gè)意義上講，我們可 以認(rèn)為它是不存在的。因此，我們可以認(rèn)為宇宙是有限的。 “宇宙到底是什么樣子?”目前尚無(wú)定論。值得一提的是史蒂芬·霍金的觀點(diǎn)比較讓人容易接受：宇宙有限而無(wú)界，只不過(guò)比地球多了幾維。比如，我們的地球就是有限而無(wú)界的。在地球上，無(wú)論從南極走到北極，還是從北極走到南極，你始終不可能找到地球的邊界，但你不能由此認(rèn)為地球是無(wú)限的。實(shí)際上，我們都知道地球是有限的。地球如此，宇宙亦是如此。 怎么理解宇宙比地球多了幾維呢?舉個(gè)例子：一個(gè)小球沿地面滾動(dòng)并掉進(jìn)了一個(gè)小洞中，在我們看來(lái)，小球是存在的，它還在洞里面，因?yàn)槲覀內(nèi)祟愂恰叭S”的；而對(duì)于一個(gè)動(dòng)物來(lái)說(shuō)，它得出的結(jié)論就會(huì)是：小球已經(jīng)不存在了!它消失了。為什么會(huì)得出這樣的結(jié)論呢?因?yàn)樗钤凇岸S”世界里，對(duì)“三維”事件是無(wú)法清楚理解的。同樣的道理，我們?nèi)祟惿钤凇叭S”世界里，對(duì)于比我們多幾維的宇宙，也是很難理解清楚的。這也正是對(duì)于“宇宙是什么樣子”這個(gè)問(wèn)題無(wú)法解釋清楚的原因。 1、均勻的宇宙 長(zhǎng)期以來(lái)，人們相信地球是宇宙的中心。哥白尼把這個(gè)觀點(diǎn)顛倒了過(guò)來(lái)，他認(rèn)為太陽(yáng)才是宇宙的中心。地球和其他行星都圍繞著太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)，恒星則鑲嵌在天球的最外層上。布魯諾進(jìn)一步認(rèn)為，宇宙沒有中心，恒星都是遙遠(yuǎn)的太陽(yáng)。 無(wú)論是托勒密的地心說(shuō)還是哥白尼的日心說(shuō)，都認(rèn)為宇宙是有限的。教會(huì)支持宇宙有限的論點(diǎn)。但是，布魯諾居然敢說(shuō)宇宙．是無(wú)限的，從而挑起了宇宙究竟有限還是無(wú)限的長(zhǎng)期論戰(zhàn)。這場(chǎng)論戰(zhàn)并沒有因?yàn)榻虝?huì)燒死布魯諾而停止下來(lái)。主張宇宙有限的人說(shuō)：“宇宙怎么可能是無(wú)限的呢?”這個(gè)問(wèn)題確實(shí)不容易說(shuō)清楚。主張宇宙無(wú)限的人則反問(wèn)：“宇宙怎么可能是有限的呢?”這個(gè)問(wèn)題同樣也不好回答。 隨著天文觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展，人們看到，確實(shí)像布魯諾所說(shuō)的那樣，恒星是遙遠(yuǎn)的太陽(yáng)。人們還進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到，銀河是由無(wú)數(shù)個(gè)太陽(yáng)系組成的大星系，我們的太陽(yáng)系處在銀河系的邊緣，圍繞著銀河系的中心旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速大約每秒250千米，圍繞銀心轉(zhuǎn)一圈約需2.5億年。太陽(yáng)系的直徑充其量約1光年，而銀河系的直徑則高達(dá)10萬(wàn)光年。銀河系由1000多億顆恒星組成，太陽(yáng)系在銀河系中的地位，真像一粒砂子處在北京城中。后來(lái)又發(fā)現(xiàn)，我們的銀河系還與其他銀河系組成更大的星系團(tuán)，星系團(tuán)的直徑約為107光年(1000萬(wàn)光年)。目前，望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)距離已達(dá)100億光年以上，在所見的范圍內(nèi)，有無(wú)數(shù)的星系團(tuán)存在，這些星系團(tuán)不再組成更大的團(tuán)，而是均勻各向同性地分布著。這就是說(shuō)，在10的7次方光年的尺度以下，物質(zhì)是成團(tuán)分布的。衛(wèi)星繞著行星轉(zhuǎn)動(dòng)，行星、彗星則繞著恒星轉(zhuǎn)動(dòng)，形成一個(gè)個(gè)太陽(yáng)系。這些太陽(yáng)系分別由一個(gè)、兩個(gè)、三個(gè)或更多個(gè)太陽(yáng)以及它們的行星組成。有兩個(gè)太陽(yáng)的稱為雙星系，有三個(gè)以上太陽(yáng)的稱為聚星系。成千億個(gè)太陽(yáng)系聚集在一起，形成銀河系，組成銀河系的恒星(太陽(yáng)系)都圍繞著共同的重心——銀心轉(zhuǎn)動(dòng)。無(wú)數(shù)的銀河系組成星系團(tuán)，團(tuán)中的各銀河系同樣也圍繞它們共同的重心轉(zhuǎn)動(dòng)。但是，星系團(tuán)之間，不再有成團(tuán)結(jié)構(gòu)。各個(gè)星系團(tuán)均勻地分布著，無(wú)規(guī)則地運(yùn)動(dòng)著。從我們地球上往四面八方看，情況都差不多。粗略地說(shuō)，星系固有點(diǎn)像容器中的氣體分子，均勻分布著，做著無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)。這就是說(shuō)，在10的8次方光年(一億光年)的尺度以上，宇宙中物質(zhì)的分布不再是成團(tuán)的，而是均勻分布的。由于光的傳播需要時(shí)間，我們看到的距離我們一億光年的星系，實(shí)際上是那個(gè)星系一億年以前的樣子。所以，我們用望遠(yuǎn)鏡看到的，不僅是空間距離遙遠(yuǎn)的星系，而且是它們的過(guò)去。從望遠(yuǎn)鏡看來(lái)，不管多遠(yuǎn)距離的星系團(tuán)，都均勻各向同性地分布著。 因而我們可以認(rèn)為，宇觀尺度上(10的5次方光年以上)物質(zhì)分布的均勻狀態(tài)，不是現(xiàn)在才有的，而是早已如此。 于是，天體物理學(xué)家提出一條規(guī)律，即所謂宇宙學(xué)原理。這條原理說(shuō)，在宇觀尺度上，三維空間在任何時(shí)刻都是均勻各向同性的?，F(xiàn)在看來(lái)，宇宙學(xué)原理是對(duì)的。所有的星系都差不多，都有相似的演化歷程。因此我們用望遠(yuǎn)鏡看到的遙遠(yuǎn)星系，既是它們過(guò)去的形象，也是我們星系過(guò)去的形象。望遠(yuǎn)鏡不僅在看空間，而且在看時(shí)間，在看我們的歷史。 2、有限而無(wú)邊的宇宙 愛因斯坦發(fā)表廣義相對(duì)論后，考慮到萬(wàn)有引力比電磁力弱得多，不可能在分子、原子、原子核等研究中產(chǎn)生重要的影響，因而他把注意力放在了天體物理上。他認(rèn)為，宇宙才是廣義相對(duì)論大有用武之地的領(lǐng)域。 愛因斯坦1915年發(fā)表廣義相對(duì)論，1917年就提出一個(gè)建立在廣義相對(duì)論基礎(chǔ)上的宇宙模型。這是一個(gè)人們完全意想不到的模型。在這個(gè)模型中，宇宙的三維空間是有限無(wú)邊的，而且不隨時(shí)間變化。以往人們認(rèn)為，有限就是有邊，無(wú)限就是無(wú)邊。愛因斯坦把有限和有邊這兩個(gè)概念區(qū)分開來(lái)。 一個(gè)長(zhǎng)方形的桌面，有確定的長(zhǎng)和寬，也有確定的面積，因而大小是有限的。同時(shí)它有明顯的四條邊，因此是有邊的。如果有一個(gè)小甲蟲在它上面爬，無(wú)論朝哪個(gè)方向爬，都會(huì)很快到達(dá)桌面的邊緣。所以桌面是有限有邊的二維空間。如果桌面向四面八方無(wú)限伸展，成為歐氏幾何中的平面，那么，這個(gè)歐氏平面是無(wú)限無(wú)邊的二維空間。 我們?cè)倏匆粋€(gè)籃球的表面，如果籃球的半徑為r，那么球面的面積是4πr的2次方，大小是有限的。但是，這個(gè)二維球面是無(wú)邊的。假如有一個(gè)小甲蟲在它上面爬，永遠(yuǎn)也不會(huì)走到盡頭。所以，籃球面是一個(gè)有限無(wú)邊的二維空間。 按照宇宙學(xué)原理，在宇觀尺度上，三維空間是均勻各向同性的。愛因斯坦認(rèn)為，這樣的三維空間必定是常曲率空間，也就是說(shuō)空間各點(diǎn)的彎曲程度應(yīng)該相同，即應(yīng)該有相同的曲率。由于有物質(zhì)存在，四維時(shí)空應(yīng)該是彎曲的。三維空間也應(yīng)是彎的而不應(yīng)是平的。愛因斯坦覺得，這樣的宇宙很可能是三維超球面。三維超球面不是通常的球體，而是二維球面的推廣。通常的球體是有限有邊的，體積是4/3πr的3次方，它的邊就是二維球面。三維超球面是有限無(wú)邊的，生活在其中的三維生物(例如我們?nèi)祟惥褪怯虚L(zhǎng)、寬、高的三維生物)，無(wú)論朝哪個(gè)方向前進(jìn)均碰不到邊。假如它一直朝北走，最終會(huì)從南邊走回來(lái)。 宇宙學(xué)原理還認(rèn)為，三維空間的均勻各向同性是在任何時(shí)刻都保持的。愛因斯坦覺得其中最簡(jiǎn)單階情況就是靜態(tài)宇宙，也就是說(shuō)，不隨時(shí)間變化的宇宙。這樣的宇宙只要在某一時(shí)刻均勻各向同性，就永遠(yuǎn)保持均勻各向同性。 愛因斯坦試圖在三維空間均勻各向同性、且不隨時(shí)間變化的假定下，救解廣義相對(duì)論的場(chǎng)方程。場(chǎng)方程非常復(fù)雜，而且需要知道初始條件(宇宙最初的情況)和邊界條件(宇宙邊緣處的情況)才能求解。本來(lái)，解這樣的方程是十分困難的事情，但是愛因斯坦非常聰明，他設(shè)想宇宙是有限無(wú)邊的，沒有邊自然就不需要邊界條件。他又設(shè)想宇宙是靜態(tài)的，現(xiàn)在和過(guò)去都一樣，初始條件也就不需要了。再加上對(duì)稱性的限制(要求三維空間均勻各向同性)，場(chǎng)方程就變得好解多了。但還是得不出結(jié)果。反復(fù)思考后，愛因斯坦終于明白了求不出解的原因：廣義相對(duì)論可以看作萬(wàn)有引力定律的推廣，只包含“吸引效應(yīng)”不包含“排斥效應(yīng)”。而維持一個(gè)不隨時(shí)間變化的宇宙，必須有排斥效應(yīng)與吸引效應(yīng)相平衡才行。這就是說(shuō)，從廣義相對(duì)論場(chǎng)方程不可能得出“靜態(tài)”宇宙。要想得出靜態(tài)宇宙，必須修改場(chǎng)方程。于是他在方程中增加了一個(gè)“排斥項(xiàng)”，叫做宇宙項(xiàng)。這樣，愛因斯坦終于計(jì)算出了一個(gè)靜態(tài)的、均勻各向同性的、有限無(wú)邊的宇宙模型。一時(shí)間大家非常興奮，科學(xué)終于告訴我們，宇宙是不隨時(shí)間變化的、是有限無(wú)邊的?？磥?lái)，關(guān)于宇宙有限還是無(wú)限的爭(zhēng)論似乎可以畫上一個(gè)句號(hào)了。 3、膨脹或脈動(dòng)的宇宙 幾年之后，一個(gè)名不見經(jīng)傳的前蘇聯(lián)數(shù)學(xué)家弗利德曼，應(yīng)用不加宇宙項(xiàng)的場(chǎng)方程，得到一個(gè)膨脹的、或脈動(dòng)的宇宙模型。弗利德曼宇宙在三維空間上也是均勻、各向同性的，但是，它不是靜態(tài)的。這個(gè)宇宙模型隨時(shí)間變化，分三種情況。第一種情況，三維空間的曲率是負(fù)的；第二種情況，三維空間的曲率為零，也就是說(shuō)，三維空間是平直的；第三種情況，三維空間的曲率是正的。前兩種情況，宇宙不停地膨脹；第三種情況，宇宙先膨脹，達(dá)到一個(gè)極大值后開始收縮，然后再膨脹，再收縮……因此第三種宇宙是脈動(dòng)的。弗利德曼的宇宙最初發(fā)表在一個(gè)不太著名的雜志上。后來(lái)，西歐一些數(shù)學(xué)家物理學(xué)家得到類似的宇宙模型。愛因斯坦得知這類膨脹或脈動(dòng)的宇宙模型后，十分興奮。他認(rèn)為自己的模型不好，應(yīng)該放棄，弗利德曼模型才是正確的宇宙模型。 同時(shí)，愛因斯坦宣稱，自己在廣義相對(duì)論的場(chǎng)方程上加宇宙項(xiàng)是錯(cuò)誤的，場(chǎng)方程不應(yīng)該含有宇宙項(xiàng)，而應(yīng)該是原來(lái)的老樣子。但是，宇宙項(xiàng)就像“天方夜譚”中從瓶子里放出的魔鬼，再也收不回去了。后人沒有理睬愛因斯坦的意見，繼續(xù)討論宇宙項(xiàng)的意義。今天，廣義相對(duì)論的場(chǎng)方程有兩種，一種不含宇宙項(xiàng)，另一種含宇宙項(xiàng)，都在專家們的應(yīng)用和研究中。 早在1910年前后，天文學(xué)家就發(fā)現(xiàn)大多數(shù)星系的光譜有紅移現(xiàn)象，個(gè)別星系的光譜還有紫移現(xiàn)象。這些現(xiàn)象可以用多譜勒效應(yīng)來(lái)解釋。遠(yuǎn)離我們而去的光源發(fā)出的光，我們收到時(shí)會(huì)感到其頻率降低，波長(zhǎng)變長(zhǎng)，并出現(xiàn)光譜線紅移的現(xiàn)象，即光譜線向長(zhǎng)波方向移動(dòng)的現(xiàn)象。反之，向著我們迎面而來(lái)的光源，光譜線會(huì)向短波方向移動(dòng)，出現(xiàn)紫移現(xiàn)象。這種現(xiàn)象與聲音的多普勒效應(yīng)相似。許多人都有過(guò)這樣的感受：迎面而來(lái)的火車其鳴叫聲特別尖銳刺耳，遠(yuǎn)離我們而去的火車其鳴叫聲則明顯遲鈍。這就是聲波的多普勒效應(yīng)，迎面而來(lái)的聲源發(fā)出的聲波，我們感到其頻率升高，遠(yuǎn)離我們而去的聲源發(fā)出的聲波，我們則感到其頻率降低。 如果認(rèn)為星系的紅移、紫移是多普勒效應(yīng)，那么大多數(shù)星系都在遠(yuǎn)離我們，只有個(gè)別星系向我們靠近。隨之進(jìn)行的研究發(fā)現(xiàn)，那些個(gè)別向我們靠近的紫移星系，都在我們自己的本星系團(tuán)中(我們銀河系所在的星系團(tuán)稱本星系團(tuán))。本星系團(tuán)中的星系，多數(shù)紅移，少數(shù)紫移；而其他星系團(tuán)中的星系就全是紅移了。 1929年，美國(guó)天文學(xué)家哈勃總結(jié)了當(dāng)時(shí)的一些觀測(cè)數(shù)據(jù)，提出一條經(jīng)驗(yàn)規(guī)律，河外星系(即我們銀河系之外的其他銀河系)的紅移大小正比于它們離開我們銀河系中心的距離。由于多普勒效應(yīng)的紅移量與光源的速度成正比，所以，上述定律又表述為：河外星系的退行速度與它們離我們的距離成正比： V＝HD 式中V是河外星系的退行速度，D是它們到我們銀河系中心的距離。這個(gè)定律稱為哈勃定律，比例常數(shù)H稱為哈勃常數(shù)。按照哈勃定律，所有的河外星系都在遠(yuǎn)離我們，而且，離我們?cè)竭h(yuǎn)的河外星系，逃離得越快。 哈勃定律反映的規(guī)律與宇宙膨脹理論正好相符。個(gè)別星系的紫移可以這樣解釋，本星系團(tuán)內(nèi)部各星系要圍繞它們的共同重心轉(zhuǎn)動(dòng)，因此總會(huì)有少數(shù)星系在一定時(shí)間內(nèi)向我們的銀河系靠近。這種紫移現(xiàn)象與整體的宇宙膨脹無(wú)關(guān)。 哈勃定律大大支持了弗利德曼的宇宙模型。不過(guò)，如果查看一下當(dāng)年哈勃得出定律時(shí)所用的數(shù)據(jù)圖，人們會(huì)感到驚訝。在距離與紅移量的關(guān)系圖中，哈勃標(biāo)出的點(diǎn)并不集中在一條直線附近，而是比較分散的。哈勃怎么敢于斷定這些點(diǎn)應(yīng)該描繪成一條直線呢?一個(gè)可能的答案是，哈勃抓住了規(guī)律的本質(zhì)，拋開了細(xì)節(jié)。另一個(gè)可能是，哈勃已經(jīng)知道當(dāng)時(shí)的宇宙膨脹理論，所以大膽認(rèn)為自己的觀測(cè)與該理論一致。以后的觀測(cè)數(shù)據(jù)越來(lái)越精，數(shù)據(jù)圖中的點(diǎn)也越來(lái)越集中在直線附近，哈勃定律終于被大量實(shí)驗(yàn)觀測(cè)所確認(rèn)。 4、宇宙有限還是無(wú)限 現(xiàn)在，我們又回到前面的話題，宇宙到底有限還是無(wú)限?有邊還是無(wú)邊?對(duì)此，我們從廣義相對(duì)論、大爆炸宇宙模型和天文觀測(cè)的角度來(lái)探討這一問(wèn)題。 滿足宇宙學(xué)原理(三維空間均勻各向同性)的宇宙，肯定是無(wú)邊的。但是否有限，卻要分三種情況來(lái)討論。 如果三維空間的曲率是正的，那么宇宙將是有限無(wú)邊的。不過(guò)，它不同于愛因斯坦的有限無(wú)邊的靜態(tài)宇宙，這個(gè)宇宙是動(dòng)態(tài)的，將隨時(shí)間變化，不斷地脈動(dòng)，不可能靜止。這個(gè)宇宙從空間體積無(wú)限小的奇點(diǎn)開始爆炸、膨脹。此奇點(diǎn)的物質(zhì)密度無(wú)限大、溫度無(wú)限高、空間曲率無(wú)限大、四維時(shí)空曲率也無(wú)限大。在膨脹過(guò)程中宇宙的溫度逐漸降低，物質(zhì)密度、空間曲率和時(shí)空曲率都逐漸減小。體積膨脹到一個(gè)最大值后，將轉(zhuǎn)為收縮。在收縮過(guò)程中，溫度重新升高、物質(zhì)密度、空間曲率和時(shí)空曲率逐漸增大，最后到達(dá)一個(gè)新奇點(diǎn)。許多人認(rèn)為，這個(gè)宇宙在到達(dá)新奇點(diǎn)之后將重新開始膨脹。顯然，這個(gè)宇宙的體積是有限的，這是一個(gè)脈動(dòng)的、有限無(wú)邊的宇宙。 如果三維空間的曲率為零，也就是說(shuō)，三維空間是平直的(宇宙中有物質(zhì)存在，四維時(shí)空是彎曲的)，那么這個(gè)宇宙一開始就具有無(wú)限大的三維體積，這個(gè)初始的無(wú)限大三維體積是奇異的(即“無(wú)窮大”的奇點(diǎn))。大爆炸就從這個(gè)“無(wú)窮大”奇點(diǎn)開始，爆炸不是發(fā)生在初始三維空間中的某一點(diǎn)，而是發(fā)生在初始三維空間的每一點(diǎn)。即大爆炸發(fā)生在整個(gè)“無(wú)窮大”奇點(diǎn)上。這個(gè)“無(wú)窮大”奇點(diǎn)。溫度無(wú)限高、密度無(wú)限大、時(shí)空曲率也無(wú)限大(三維空間曲率為零)。爆炸發(fā)生后，整個(gè)“奇點(diǎn)”開始膨脹，成為正常的非奇異時(shí)空，溫度、密度和時(shí)空曲率都逐漸降低。這個(gè)過(guò)程將永遠(yuǎn)地進(jìn)行下去。這是一種不大容易理解的圖像：一個(gè)無(wú)窮大的體積在不斷地膨脹。顯然，這種宇宙是無(wú)限的，它是一個(gè)無(wú)限無(wú)邊的宇宙。 三維空間曲率為負(fù)的情況與三維空間曲率為零的情況比較相似。宇宙一開始就有無(wú)窮大的三維體積，這個(gè)初始體積也是奇異的，即三維“無(wú)窮大”奇點(diǎn)。它的溫度、密度無(wú)限高，三維、四維曲率都無(wú)限大。大爆炸發(fā)生在整個(gè)“奇點(diǎn)”上，爆炸后，無(wú)限大的三維體積將永遠(yuǎn)膨脹下去，溫度、密度和曲率都將逐漸降下來(lái)。這也是一個(gè)無(wú)限的宇宙，確切地說(shuō)是無(wú)限無(wú)邊的宇宙。 那么，我們的宇宙到底屬于上述三種情況的哪一種呢?我們宇宙的空間曲率到底為正，為負(fù)，還是為零呢?這個(gè)問(wèn)題要由觀測(cè)來(lái)決定。 廣義相對(duì)論的研究表明，宇宙中的物質(zhì)存在一個(gè)臨界密度ρc，大約是每立方米三個(gè)核子(質(zhì)子或中子)。如果我們宇宙中物質(zhì)的密度ρ大于ρc，則三維空間曲率為正，宇宙是有限無(wú)邊的；如果ρ小于ρc，則三維空間曲率為負(fù)，宇宙也是無(wú)限無(wú)邊的。因此，觀測(cè)宇宙中物質(zhì)的平均密度，可以判定我們的宇宙究竟屬于哪一種，究競(jìng)有限還是無(wú)限。 此外，還有另一個(gè)判據(jù)，那就是減速因子。河外星系的紅移，反映的膨脹是減速膨脹，也就是說(shuō)，河外星系遠(yuǎn)離我們的速度在不斷減小。從減速的快慢，也可以判定宇宙的類型。如果減速因子q大于1/2，三維空間曲率將是正的，宇宙膨脹到一定程度將收縮；如果q等于1/2，三維空間曲率為零，宇宙將永遠(yuǎn)膨脹下去；如果q小于1/2，三維空間曲率將是負(fù)的，宇宙也將永遠(yuǎn)膨脹下去。 表3列出了有關(guān)的情況： 表3 宇宙中物質(zhì)密度 紅移的減速因子 三維空間曲率 宇宙類型 膨脹特點(diǎn) ρ＞ρc q＞1/2 正 有限無(wú)邊 脈動(dòng) ρ＝ρc q＝1/2 零 無(wú)限無(wú)邊 永遠(yuǎn)膨脹 ρ＜ρc q＜1/2 負(fù) 無(wú)限無(wú)邊 永遠(yuǎn)膨脹 我們有了兩個(gè)判據(jù)，可以決定我們的宇宙究竟屬于哪一種了。觀測(cè)結(jié)果表明，ρ＜ρc，我們宇宙的空間曲率為負(fù)，是無(wú)限無(wú)邊的宇宙，將永遠(yuǎn)膨脹下去!不幸的是，減速因子觀測(cè)給出了相反的結(jié)果，q＞1/2，這表明我們宇宙的空間曲率為正，宇宙是有限無(wú)邊的，脈動(dòng)的，膨脹到一定程度會(huì)收縮回來(lái)。哪一種結(jié)論正確呢?有些人傾向于認(rèn)為減速因子的觀測(cè)更可靠，推測(cè)宇宙中可能有某些暗物質(zhì)被忽略了，如果找到這些暗物質(zhì)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)ρ實(shí)際上是大于ρc的。另一些人則持相反的看法。還有一些人認(rèn)為，兩種觀測(cè)方式雖然結(jié)論相反，但得到的空間曲率都與零相差不大，可能宇宙的空間曲率就是零。然而，要統(tǒng)一大家的認(rèn)識(shí)，還需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)和理論推敲。今天，我們?nèi)匀豢隙ú涣擞钪婢烤褂邢捱€是無(wú)限，只能肯定宇宙無(wú)邊，而且現(xiàn)在正在膨脹!此外，還知道膨脹大約開始于100億-200億年以前，這就是說(shuō)，我們的宇宙大約起源于100億-200億年之前。 5、愛因斯坦宇宙模型 根據(jù)物理理論，在一定的假設(shè)前提下提出的關(guān)于宇宙的設(shè)想與推測(cè)，稱為宇宙模型。 著名科學(xué)家愛因斯坦于1915年建立了廣義相對(duì)論的物理理論。這一理論認(rèn)為，宇宙中沒有絕對(duì)空間和絕對(duì)時(shí)間，無(wú)論是空間和時(shí)間都不能與物質(zhì)隔開來(lái)，空間和時(shí)間均受物質(zhì)影響；引力是空間彎曲的效應(yīng)，而空間彎曲是由物質(zhì)存在決定的。愛因斯坦將他的理論應(yīng)用于宇宙研究，1917年發(fā)表了《根據(jù)廣義相對(duì)論的宇宙學(xué)考察》的論文，他將廣義相對(duì)論的引力場(chǎng)方程用于整個(gè)宇宙，建立起一種宇宙模型。 當(dāng)時(shí)科學(xué)家普遍認(rèn)為宇宙是靜止的，不隨時(shí)間變化的。雖然在幾年前，美國(guó)天文學(xué)家斯里弗已發(fā)現(xiàn)了河外星系的譜線紅移(顯然這是對(duì)靜止宇宙的挑戰(zhàn))，但由于當(dāng)時(shí)正值第一次世界大戰(zhàn)，這一消息并沒有傳到歐洲。因此，愛因斯坦也和大多數(shù)科學(xué)家一樣，認(rèn)為宇宙是靜態(tài)的。愛因斯坦想從引力場(chǎng)方程著手，得出一個(gè)宇宙是靜態(tài)的、均勻的、各向同性的答案。但他得到的解是不穩(wěn)定的，表明全間和距離不是恒定不變的，而是隨時(shí)變化的。為了得到一個(gè)空間是穩(wěn)定的解，愛因斯坦人為地在引力場(chǎng)方程中引入一個(gè)叫做“宇宙常數(shù)”的項(xiàng)，讓它起斥力的作用。愛因斯坦得出一個(gè)有限無(wú)邊的靜態(tài)宇宙模型，稱為愛因斯坦宇宙模型。為了便于理解，可把它比喻為三維空間中的一個(gè)二維球面：球面的面積是有限的、但沿著球面沒有邊界，也無(wú)中心，球面保持靜態(tài)狀態(tài)。幾年以后，愛因斯坦得知河外星系退行，宇宙是膨脹的消息后，非常后悔在自己的模型中加了一個(gè)宇宙常數(shù)項(xiàng)，稱這是他一生中犯的最大錯(cuò)誤。 |
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來(lái)自： LM0318 > 《21 遼寧(遼)》
