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第27章 天体之谜(10)

物理学家、数学家、哲学家、神学家都弄不清宇宙的大小,说明这一问题本身就有问题。庄子《庚桑楚》中说:“有实而无乎处者,宇也。有长而无本(开始)剽(末梢)者,宙也。”《淮南子·齐俗》也有记载:“往古来今谓之宙,四方上下谓之宇。”

可见宇宙本身就指的是空间和时间。问宇宙的大小,就如同问纯空间的大小、纯时间的长短、纯质量的质量、纯温度的温度一样,这些问句都不完整,缺少主词。

任何空间都是指某物的空间大小,任何时间都是指某物的时间长短,故宇宙是指某物所占据的空间与时间。如果撇开“某物”这一主词,而去问一种抽象的时空尺度是没有意义的,这就如同问一个抽象“生物”的身高与年龄一样,让人无法回答。

其实,人们在讨论“宇宙”问题的时候,往往站在完全不同的角度。物理学家们所说的宇宙完全不同于哲学家们所说的宇宙,哲学家们所说的宇宙又完全不同于神学家们所说的宇宙。

这倒不是因为宇宙中的空间、时间有什么不同,而在于人们研究时空的方法与途径完全不同。

宇宙的物理学通过观测的途径去获得相应的结果,而且还要通过观测来验证所得到的结果,任何视觉观测不到的宇宙解均不会被物理学家们所接受。

因此,物理学宇宙指的是已观测到的和可被观测的宇宙,它存在于人们视界范围之中,它的尺度等同于人类的视界。

宇宙目前所知是半径150亿~180亿光年,但是可视宇宙外还不能能看见的其他地方(大爆炸后的那一段黑暗期)是什么样子的,这些还有待考证。关于形状的概念,现在主流看法是各自封闭又体积无边界的闭曲率空间,除暴涨期的略微不平坦基本是平滑的(微波背景辐射有同样的不均)。宇宙的哲学解必然以已有的物理学宇宙解为内核,并根据已经观测证实的结论定理去进行归纳、演绎、推理,用思维逻辑去拓展哲学宇宙的时空,直到这种思维走到尽头,到无法继续进行思维的界段为止,这种哲学宇宙的尺度等同于人类的思维宇宙。

宇宙的神学解并不排斥物理学与哲学的宇宙解,但神学家们力图用一种无法被观测与被思维的“神”来解释宇宙,这种“神”的真实性显然只能存在人类的想象空间里,故神学宇宙的尺度等同于人类的想象极限。

爱因斯坦宇宙模型

导言:对人类来说关于宇宙的一切认识都是设想与推测,而这些设想和推测又都是以假设为前提,用推理的方法得到的,不同的假设和不同的推理方法当然就形成了不同的对宇宙的认识。爱因斯坦宇宙模型根据物理理论,在一定的假设前提下提出的关于宇宙的设想与推测,称为宇宙模型。

著名科学家爱因斯坦于1916年建立了广义相对论的物理理论。这一理论认为,宇宙中没有绝对空间和绝对时间,空间和时间无论如何都不能与物质隔离开来,空间和时间均受物质影响;引力是空间弯曲的效应,而空间弯曲是由物质存在决定的。爱因斯坦将他的理论应用于宇宙研究,1917年发表了题为《根据广义相对论的宇宙学考察》的论文,他将广义相对论的引力场方程用于整个宇宙,建立起一种宇宙模型。

这一理论提出前科学家普遍认为宇宙是静止的,没有时间的变化。美国天文学家斯里弗已发现了河外星系的谱线红移(显然这是对静止宇宙的挑战),但由于当时正值第一次世界大战,这一消息并没有传到欧洲。因此,爱因斯坦也和大多数科学家一样,认为宇宙是静态的。爱因斯坦想从引力场方程着手,得出一个宇宙是静态的、均匀的、各向同性的答案。可他得到的解是不稳定的,表明空间和距离不是恒定不变的,而是随时变化的。为了得到一个空间是稳定的解,爱因斯坦人为地在引力场方程中引入一个叫做“宇宙常数”的项,让它起斥力的作用。爱因斯坦得出一个有限无边的静态宇宙模型,称为爱因斯坦宇宙模型。为了便于理解,可把它比喻为三维空间中的一个二维球面:球面的面积是有限的,但沿着球面没有边界,也无中心,球面保持静态状态。

在这个模型中,宇宙的三维空间是有限无边的,而且它并不随时间的变化而发生变化。通常人们认为,有限就是有边,无限就是无边。但是爱因斯坦把有限和有边这两个概念区分开来。

一个长方形的桌面,有确定的长和宽,也有确定的面积,因而大小是有限的。同时它有明显的四条边,因此是有边的。如果有一个小甲虫在它上面爬,无论朝哪个方向爬,都会很快到达桌面的边缘。所以桌面是有限有边的二维空间。如果桌面向四面八方无限伸展,成为欧氏几何中的平面,那么,这个欧氏平面是无限无边的二维空间。

我们再看一个篮球的表面,如果篮球的半径为r,那么球面的面积是4πγ2,大小是有限的。但是,这个二维球面是无边的。假如有一个小甲虫在它上面爬,永远也不会走到尽头。所以,篮球面是一个有限无边的二维空间。

按照宇宙学原理,在宇观尺度上,三维空间是均匀各向同性的。爱因斯坦认为,这样的三维空间必定是常曲率空间,也就是说空间各点的弯曲程度应该相同,即应该有相同的曲率。由于是物质存在的,四维时空应该是弯曲的。三维空间也应是弯的而不应是平的。爱因斯坦觉得,这样的宇宙很可能是三维超球面。三维超球面不是通常的球体,而是二维球面的推广。通常的球体是有限有边的,体积是4πr3/3,它的边就是二维球面。三维超球面是有限无边的,生活在其中的三维生物(例如我们人类就是有长、宽、高的三维生物),无论朝哪个方面前进均碰不到边。假如它一直朝北走,最终会从南边走回来。

宇宙学原理还认为,三维空间的均匀各向同性是在任何时刻都保持的。爱因斯坦觉得其中最简单的情况就是静态宇宙,也就是说,不随时间变化的宇宙。这样的宇宙只要在某一时刻均匀各向同性,就永远保持均匀各向同性。

爱因斯坦曾经试图在均匀各向同性且不随时间变化的三维空间假定下,求解广义相对论的场方程。但是场方程非常复杂,而且需要知道初始条件(宇宙最初的情况)和边界条件(宇宙边缘处的情况)才能求解。所以爱因斯坦设想宇宙是有限无边的,而且是静态的。再加上对称性的限制(要求三维空间均匀各向同性),场方程就变得好解多了。但还是得不出结果。经过反复思考,爱因斯坦终于找到求不出解的原因:广义相对论可以看作万有引力定律的推广,只包含“吸引效应”而不包含“排斥效应”。而维持一个不随时间变化的宇宙,必须有排斥效应与吸引效应相平衡才行。这就是说,从广义相对论场方程不可能得出“静态”宇宙。要想得出静态宇宙,必须修改场方程。于是爱因斯坦在场方程中增加了一个“排斥”项,叫做宇宙项。这样,爱因斯坦终于计算出一个静态的、均匀各向同性的、有限无边的宇宙模型。一时间大家非常兴奋,科学终于告诉我们,宇宙是不随时间变化的,是有限无边的。看来,关于宇宙有限还是无限的争论似乎可以画上一个句号了。

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