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宇宙是無邊的嗎?你怎麼看?
如何求馬鞍面面積
愛因斯坦認為宇宙是有限而無界的。我認為應該從兩個方面去理解這個問題:
一,傳統的理解
小時候,大人們告訴我們宇宙是無窮大的,它無邊無際。長大接觸現代科學後,覺得無限的宇宙在哲學上和邏輯上是講不通的。愛因斯坦認為宇宙是有限而無界的,
愛因斯坦
常規思維認為無界(無邊無際)應該是描述無限的東西,現在怎麼描述有限的宇宙?一開始也不理解,為了解釋這個問題,愛因斯坦曾用一個二維球面來表示我們宇宙:大家都知道一個球面積是有限的,但它並沒有邊界,在球面上一點無論走向何方和走多遠,甚至又走回原地,但總是走不到頭,它是沒有邊界的。他用這個二維球面很形象地解釋了“有限是怎麼無界的”。他說,這只是用二維球面作的解釋,實際上咱們的宇宙是三維空間加一維時間,是四維時空,當然比這個二維球面要複雜。但道理是相通的,他的這個思想逐漸被人們接受。
實際上現代宇宙學對宇宙是否有限還是有爭議的,愛因斯坦1915年創立廣義相對論,他認為每個大質量物體彎曲了它們周圍的空間。但這種彎曲是區域性的,那麼除了這些區域性變化之外,整個宇宙是平坦的?還是彎曲的?如果是彎曲的,又是怎樣彎曲的?物理學家弗裡德曼給出三種情況:平坦、正曲率的球面或其他封閉的幾何面、負曲率的馬鞍面。
三種宇宙形狀
如果是第一種和第三種情況,那宇宙就是無限伸展的;如果是第二種情況,那宇宙就是封閉有限的。這當然可以透過實際觀測來驗證:我們知道從足球上割下一塊皮子,再從馬鞍上割下一塊皮子,把它們放在桌面上,試將它們展平,你會發現足球皮需被抻長,足球皮在邊緣部分顯得皮子太少,不夠攤平之用;而馬鞍面將會出褶,馬鞍皮又顯得多了些。這
表明隨著面積(體積)的增大均勻散佈在足球面(封閉空間)的物體,其數目的增長慢於距離的平方(立方),也就是慢於純平面的增長;而在馬鞍面(開放空間)正好相反。
三種宇宙形狀觀測對應
宇宙空間內“均勻散佈的物體”就是各個星系,因此要想知道宇宙是什麼曲率的問題,即宇宙是有限還是無限的問題,只需統計不同距離內單個星系的數目就行了。美國天文學家哈勃曾作了這種實際統計工作,
哈勃在觀測
他發現星系的數目很可能比距離的立方增長得慢一些,因此宇宙大概是個有限的正曲率空間。
他的這個結論是基於他發現的哈勃定律正確性的基礎上。
宇宙正曲率
當然他當時的觀測裝置是有限的,隨著科學觀測裝置和水平的提高,有關於宇宙是否有限的問題在未來會得到最終的證實。好了不管宇宙是否有限,它都是無界的。如果是無限,它自然是無界。如果是有限,就是最上面的解釋。這是最傳統的解釋。
二,非傳統解釋
正如上面所說,按著常規思維,“無邊無際”是用來形容宇宙的無限,現在卻用“無邊界”來表示有限的宇宙,那就要求我們必須摒棄常規慣性思維。下面運用一下我們大腦做一個思維操。
所謂的“邊界”就是區別兩個區域空間的界限,所以有界的前提就是界內和界外都必須有空間,
而據現代宇宙學理論,所有的物質、時間和空間都是由一個時空曲率無限大的“奇點”大爆炸而來,
宇宙大爆炸
而宇宙就是物質、時間和空間的總和,所以所有的空間都在宇宙之裡,宇宙“外面”沒有空間,因而宇宙沒有外面,因為“外面”也是個空間概念,
沒有外面哪來的邊界?沒有空間怎麼能有界?
說到這裡有人就說了,“宇宙外面怎麼能沒有空間?空間不就是什麼也沒有嗎?”,錯了,空間不是什麼也沒有,
笛卡爾說“一無所有的空間是不存在的”
,愛因斯坦認為他說的接近真理,他認為時間和空間作為場的結構性質而存在,空間也是物質。可是
我們好多人把空間當成了一種先驗性的存在,因而覺得這種一無所有的空曠在宇宙之外也是無邊無際的先驗存在。我們一方面把空間當成什麼也沒有,一方面又覺得它存在,早陷入了唯心主義。
我們之所以有這種想法或者覺得理所當然是因為我們身處於有空間的宇宙裡面,而不是在沒有空間的外面。我們覺得一個物體是否有限並判斷出物體的大小,那是以空間作為背景得出的結論,現在宇宙之外沒有空間,因此我們是無法判斷宇宙的大小和邊界。也因此得出結論:無論宇宙是否有限,宇宙都沒有邊界。
宇宙不需要存在於什麼之上和什麼之裡,宇宙就是這樣存在著。反過來,正因為宇宙沒有邊界,宇宙“之外”沒有時空,那宇宙裡的所有東西包括空間才不會“掉出來”,因為“出來”也是個空間概念。外面沒有空間,因而什麼也出不來。
無界的宇宙
“外面”的非時空“約束”著宇宙。
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