09.14 宇宙是無限的嗎?我們的世界有中心嗎?科學給出了答案


宇宙是無限的嗎?我們的世界有中心嗎?科學給出了答案


宇宙沒有邊界。宇宙沒有中心。宇宙學基本原理:宇宙是各向同性的並且是均勻的。

各項同性:站在宇宙中任何一點,朝向各個方向觀察,所看到的大尺度的結構是相同的。均勻性:不管站在宇宙中的那個位置觀察,所得到的大尺度的觀測結果是相同的。

宇宙是無限的嗎?我們的世界有中心嗎?科學給出了答案


這個基本原理直接就導出了沒有中心這一點。然後很多人第一反應是:為什麼要提這種假設?因為我們看到大尺度上,宇宙大致均勻的,而且我們沒有理由認為我們所處的位置有什麼優越性。

為什麼沒有邊界?這需要從宇宙的拓撲說起。[ 我們沒有像是數學那麼嚴格的理由證明宇宙就是具有什麼樣的拓撲。]但是我們有很多的數學上的工作暗示宇宙的度規(可以理解為用來定義距離的)是什麼樣子。最後經過一系列的比較嚴格的數學和對稱性的討論,我們得出結論:承認基本原理並忽略微擾的情況下,宇宙只有三種可能的度規。其中跟觀測相符合的度規是超球面。什麼意思呢?可以想象一個二維的球面,比如一個氣球表面。想一下,如果在氣球表面上畫很多均勻的點來代表星系,那麼如果氣球膨脹,是不是星系都相互遠離?是不是找不到中心?然後,來到回到要回答的問題:是不是找不到邊界?對的,沒有邊界。這裡唯一的區別是,我們的生活的曲面是個3維的超曲面,而不是二維的面。

宇宙是無限的嗎?我們的世界有中心嗎?科學給出了答案


需要注意的是,實際上,我們現在所講的宇宙,一般認為是一個宇宙泡泡。因為如果我們認同暴漲理論,那麼這個理論有個小問題:不同的區域都有可能發生暴漲。這樣就可以成為不同的宇宙。eternal暴漲理論甚至還提出,在一個暴漲區域(可以認為就是一個可能存在生命的宇宙)內部還可以再發生更高能的暴漲,如此,就會發生宇宙中嵌套宇宙的情況,如果是這樣,回答宇宙是否有限,就有需要先定義一下,宇宙指的是什麼了。

宇宙是無限的嗎?我們的世界有中心嗎?科學給出了答案


數學上,很多宇宙整體拓撲模型都是可能的,包括有界的和無界的。物理上,我們不知道。這方面霍金數學上做了很大貢獻,但是物理上沒有結論。目前普遍接受的是有限無界。

目前測量的微波背景輻射表明,宇宙還是比較平的,也就是比較接近歐幾里德空間。如果宇宙是完全平的,宇宙的整體拓撲應該是或者平的,或者柱形,或者莫比烏斯帶,我們不知道。不過我所知的宇宙模型中,沒有一個是可以定義中心的。

大爆炸是一個借用的詞,描述物理觀測後,數學上證明的宇宙從無到有的過程。切勿將之想象成我們現實中的爆炸現象。宇宙的初期我們知道很少,沒有任何證據說經過大爆炸宇宙就有界了。

早在2200多年前,東漢天文學家張衡就曾在《靈憲》中提到“宇之表無極,宙之端無尚”。這說明宇宙是有限無界的,宇宙就是時間和空間的統一。 太陽系夠大嗎?網絡上可查的太陽系疆界範圍,以冥王星軌道為邊界約為40天文單位。(1天文單位≈1.5億公里)相當於繞地球3750圈,完爆多年前的香飄飄奶茶。而後來被誤認為太陽系邊界的EKB半徑則是達到100天文單位,但更遠的歐特雲的離日距離達到50,000-100,000個天文單位……眾所周知,(或者說學過高中地理必修一的)都知道。浩瀚宇宙中,太陽只是銀河系2000多億恆星之一。而銀河系之外還有千萬個河外星系,與之組成偌大的總星系。而總星系外必然還有還會有物質存在……

反觀唯心主義者,主張推崇神創論,世間萬物皆是神的產物。即宇宙有限論,認為宇宙存在邊界,時間存在始末,世界存在末日,這對自然科學的認識則不免有失偏頗。我國古代西漢時期思想家董仲舒,曾經提出的“大一統”以及“天人感應”的思想主張。其哲學基礎便是天人感應、君權神授。實則只是鞏固皇權和封建階級統治的一種政治手段罷了。

那麼宇宙有沒有中心呢?很遺憾,在四維甚至多維的宇宙空間中,我們人類只是存在於四維宇宙空間閉合三維面上的可憐低級的三維生物。因此你找不到它的中心,因為它的中心在四維及以上空間裡,或者就說根本沒有中心。

然戰國惠施有言:“至大無外,謂之大一;至小無內,謂之小一。”至大,可漭彌渺渺。至小,沙粒之中亦有宇宙。

宇宙是無限的嗎?我們的世界有中心嗎?科學給出了答案


宇宙是無限的嗎?我們的世界有中心嗎?科學給出了答案


首先說一下結論,宇宙是沒有邊界沒有中心的,但是否是無限的目前沒有定論。

要回答這個問題,我們首先要弄清楚空間的形狀是怎樣的。說空間的形狀可能會覺得很抽象,那我們想象一下二維的空間吧,就比如一張地圖好了,一張地圖可以有不同的形狀,這是因為它可以在更高的維度上彎曲,比如一張平坦的地圖你把它揉皺了,它的形狀就變了,那些褶皺的地方就是向另外的維度彎曲了,這可以表述為那些地方「具有了不為0的曲率」。這樣的話就可能出現空間是有限的但是卻沒有邊界,比如地球儀表面的地圖,它的形狀是封閉的,如果這個二維世界生活著二維人類的話,它們就會覺得這個世界沒有邊界,因為他們向著任何一個方向都可以永遠走下去(想象在球面上用筆朝著任意方向畫線,可以一直畫下去),但是我們都知道其實這個球面的面積是有限的。這樣的情況推廣到三維,我們就不禁會想我們日常感知到的這個三維空間,會不會也在更高的維度彎曲了呢?若是彎曲了,又彎曲成怎樣的呢?

宇宙是無限的嗎?我們的世界有中心嗎?科學給出了答案


科學不會只是想象,我們必須要去觀測和實驗。對於宇宙的觀測表示,宇宙在大尺度上,所有的位置和所有的方向都是相對於彼此對稱的。即上面有答主所說的各向同性和均勻性(這裡就用「對稱性」來概括),這種對稱性說明宇宙中沒有哪個位置是特殊的,所以也就沒有中心一說了。對稱性幫助我們淘汰掉許多宇宙可能的形狀,剩下了以下三種情況(還是以二維來類比):

宇宙是無限的嗎?我們的世界有中心嗎?科學給出了答案


圖片中第一種“球形”被稱為正曲率面(無邊界有限),第二種“馬鞍形”被稱為負曲率面(無邊界無限),而最後一種“平坦形”被稱為零曲率面(無邊界),值得注意的是,最後一種也有兩種情況,一種是無限大的平面,另一種是有限大小,但是首尾相連(從一端消逝會從另一端出現),這種形狀被稱為二維圓環。可以看到,無論哪種形狀,我們的宇宙都是沒有邊界的。

那麼宇宙到底是以上的哪一種形狀呢?

解決這個問題有一個方法是藉助愛因斯坦的廣義相對論,將宇宙中所有物質和能量(因為對稱性所以假定這些物質和能量均勻分佈)作為愛因斯坦方程的輸入,從而得到空間的曲率,而困難之處在於,我們很難確切地獲知宇宙中實際有多少物質和能量。這裡有一個概念,即臨界密度 克每立方米,相當於每一立方米中有5個氫原子),若宇宙中物質和能量的密度大於臨界密度,那麼從愛因斯坦方程得到的空間曲率為正,小於則得出負曲率,若正好等於,那說明空間沒有整體曲率。目前最好的數據傾向於認為空間無曲率,所以宇宙很可能是平直的,但是不是像“二維圓環”那樣就不得而知了。


分享到:


相關文章: