03.06 时空是无限大的吗?为什么?

黄丽航


艾萨克·牛顿(Isaac Newton)对于空间和时间的看法与我们普通人的直观思维一样。空间这个三维的虚空就在那里,大到无限。一个物体可以待在空间的某一点,或者从一个地方移动到另一个地方。

那么时间呢?在大自然虚构的时钟里,组成一天的时间无时无刻不在流动,每分每秒都在流逝。时间是一维的、无限的,直到永远。

我们很容易就能像牛顿那样想象空间与时间了。

然而,这可是错的!

爱因斯坦(Albert Einstein)展现给我们的事实是:空间和时间是紧密相关联的。三维的空间与一维的时间实际上绞织在一个四维时空中。

广义相对论还向我们揭示,空间与时间并非是绝对的,而是相对的。空间之间两点间的距离是多少,取决于被问的对象。对于以1/2光速的速度在前行的人而言,两点间的距离要比静止(相对于两点静止)的观察者所看到的要短得多。这同样适用于两个事件的时间间隔:飞得越快的人,他的时间流逝得越慢。

据宇宙学原理和爱因斯坦引力场方程,时空作为一个整体,在时间上是演化的,即有时间箭头(方向),在空间上是均匀各向同性的。

由于空间与时间本质上是不可互相孤立的整体,空间依赖时间展现,时间需要空间演化。本文将时空、空间、时间的用语不作区分(除特别说明外),概念等同。

一、怎样理解空间的几何

众所周知,可观测宇宙是天文学家定义宇宙边界的一种方式,它不是真正的宇宙边缘。宇宙很可能延伸到远得多的地方,甚至完全可能是无限的。在理论上,时空是否有限或无限取决于空间的弯曲方式。

以下的讨论完全基于宇宙学原理,默认空间的弯曲程度在大尺度上处处相同。空间在几何上有3种可能:处处正向弯曲、处处反向弯曲,或者平坦。

爱因斯坦的引力场方程,是时空弯曲变化的最好注释。其方程等号左边部分描述了时空的弯曲,右边部分描述了物质(和能量)在空间中的分布。它是时空曲率随物质分布而变化的关系。即,宇宙空间的质能总量决定了宇宙空间的几何形状。

宇宙中的质能包含了可见的恒星、行星、气体、不可见的暗物质和中微子,以及无处不在的暗能量。暗物质和暗能量的地位格外显著。

按照广义相对论,允许存在一个宇宙的临界密度,这个密度和宇宙的膨胀速率(哈勃常数)H有关。

如果宇宙中的质能密度正好等于临界密度,那么宇宙的三维空间部分是平坦的。如果宇宙的质能密度大于临界密度,那么宇宙处处正向弯曲,称为空间闭合的宇宙。如果宇宙的密度小于临界密度,那么空间就会是反向弯曲的,称为开放宇宙。

二、空间弯曲的方式

为了更容易理解一个三维的空间是如何弯曲的,我们借助于二维曲面在三维空间的情况加以说明(这样符合我们三维人的思维模式)。

任意省去三维空间的一个维度,因为3个维度的地位都相同,省去一个都没有关系。经过这样处理后,宇宙空间表现为一个二维曲面。图中的3种情况正是一个二维的曲面在三维空间中的3种弯曲方式。

数学上用曲率来描述曲面的弯曲程度。处处正曲率的曲面就是一个球面,这样的曲面面积很显然是有限的。

因此,一个闭合的宇宙空间是有限无界的。

而处处零曲率的曲面,就是一个平面。处处负曲率的曲面,其形状酷似一个马鞍面。因此,平坦的宇宙空间和反向弯曲的宇宙空间都是开放空间,都可以无限延伸的。

这意味着,我们的宇宙时空在遥远的未来,会有不同的结局。当曲率为正时,闭合的时空随着空间膨胀再到收缩,最终热死亡。当曲率为零或者为负时,开放空间将无限膨胀,最终大撕裂而冷死亡。

三、如何知晓时空是否弯曲

也许有人会问,能否测量我们所生活的空间的弯曲程度呢?答案是肯定的。

最可行的方法在自己生活的空间里面画一个三角形。如果我们是在平面上,那么这个三角形3个内角之和应当是180度。如果生活在一个闭合的球面上,那么这个三角形3个内角之和显然大于180度。

据说,数学家高斯(Johann Garl Friedrich Gauss )在19世纪曾经尝试在3座山顶测量3个山顶连成的巨大三角形的内角和,以验证自己是否生活在一个平坦的三维空间里。

但地球附近的空间弯曲主要取决于地球的引力场。如果仅仅测量地球附近的空间弯曲,显然不能等同到整个宇宙空间的。我们必须在巨大的天文尺度上测量宇宙空间的弯曲程度,但目前尚无法做到。

幸亏有了广义相对论,时空的形态归根到底是由宇宙质能密度决定的。空间弯曲的测量就转化成了测量宇宙的质能密度。宇宙的质能密度与标准烛光的红移——光度距离关系密切,也与空间结构形成速度、微波背景辐射上的温度起伏有关。科学家将不同的观测结果综合起来才能确定宇宙的质能密度。

四、时空是无限大吗?

很遗憾,目前科学家仍得不出肯定的答案。因为我们目前得到的质能密度十分接近临界密度。有资料显示,如取哈勃常数为70km/s/Mpc,以物质为主导的宇宙停止膨胀的时候,宇宙所对应的密度应是0.9x10^(-29)克/立方厘米。这就是临界密度。

据中科院研究员李然博士介绍,最新的宇宙学观测数据可将空间的曲率测量精确到6/1000的精度,在此精度下得到的结果,宇宙空间似乎是平坦的。

但平坦是个临界值,即使空间真的平坦,因为存在观测误差,我们将无法严格证明宇宙空间是平坦的。我们只能说从目前的观测结果看,宇宙非常接近平坦。换言之,宇宙时空要么差一点就是有限大的,要么差一点就是无限大的。

(谢谢阅读)


看松读画轩


时空是无限大的吗?为什么?

不得不承认,思考这个问题是非常费脑筋的。我们既很难想象出有限的时间和空间的样子,也很难想象出无限的时间和空间的样子。下面让我们看看当时间和空间是有限或无限时会是怎样的。

1.如果时间是无限的

如果时间是无限的话,那么是否意味着时间既没有开始的点,也没有结束的点呢?我们可以尝试构想一下,如果我们回到过去,我们将永远到达不了时间的起点,也想象不出时间的起点是什么样子的,并且在未来也是如此。如果是你,你能想到吗?我认为不可能,因为它与我们的日常现实不符。

图注:宇宙微波背景图

例如,如果我告诉你我要举办个聚会,而你问我要举办多久,而我告诉你要举办无限时间,这时候你肯定会以为我在开玩笑。因为我们认为,时间必须有一个开始和结束的点,就像我们每天处理的每个时间段一样。

2.如果时间是有限的

如果时间不是无限的,那么它一定是有限的。好吧,如果时间有限,那么它是从什么时候开始的呢?哪年?几号?几点?在时间开始的那一刻发生了什么?在此之前难道不存在时间吗?面对这些疑问,我们同样找不到答案。

图注:时间是无限的想象图

3.如果空间是无限的

我们可以尝试构想一下,如果我们进入太空飞船并开始旅行,那我们永远都不会到达尽头吗?同样,这与我们的现实体验不符。例如,如果我要盖房子,而你问我房子有多高,我告诉你我的房子会无限高,你会以为我傻了,因为你会想怎么可能会有无限高的东西呢?

图注:宇宙之外还是宇宙想象图(假设每个宇宙相当于一个肥皂泡)

4.如果空间是有限的

好吧,如果我们进入那艘太空飞船并且走了足够远,我们会撞到太空尽头吗?那里难道是一堵墙吗?如果是这样,那这堵墙的另一边是什么呢?我们无法想到墙的另一边是什么。很明显有限空间的想法就跟无限空间的想法一样疯狂,一样不可理解。

关于时空的两个猜想

第一个猜想

尽管我们认为空间是无限的,但空间也可能会是有限的,因为它会在自身(例如球体的表面)上面循环,这种空间称为有限但无界空间。实际上,如果真是这种情况,那么我们的空间就不会有明显的“边界”,就像球体一样。假设球体上有1个点,我们从这个点上开始沿着球体表面移动。但是,无论我们走了多远,也不可能走到这个球体的尽头。

图注:假设宇宙是球形的想象图

第二个猜想

还有一个猜想是,时间在过去和未来两个方向上都是无限的,尽管永远也不会证据可以证明这样的假设。该假设指出,尽管时空始于宇宙大爆炸,但实际上时间同时在向前和向后传播。我们认为自己所在的宇宙里时间是在向前传播的,而其他宇宙的时间则是在倒退。

图注:宇宙大爆炸想象图

但是从宇宙大爆炸所产生的另一个宇宙的角度来看,向前走的是他们,而我们在时间上是倒退的。如果这个假设是正确的,那么从大爆炸开始,无论时间是朝一个方向或两个方向传播,时间都是无限的。

总结:关于时空是有限的还是无限的,如今科学界还没有定论,更多的还是猜测。真正正确的答案还需要我们后人的探索。

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科普子期君


这个问题不仅仅是个物理学问题,更像是一个哲学问题。我们用最先进的望远镜看到的星系大约一百三四十亿光年样子,再远的地方是一片虚空还是我们的眼界看不清,暂时无法定论。按照宇宙大爆炸理论,宇宙大爆炸以后,物质扩张了一百三四十亿年,膨胀到了现在这个尺度,而且现在还在向外扩张。这么说来这个空间原来就应该存在,只是没有物质占用它而已。空间到底有多大,无法说清,反正现在没有看到边界。话又说回来了,如果有边界,那么边界该是什么样子?我们祖先的哲学思想认为,宇宙由混沌演化而来。由混沌演生出万物,这种说法和大爆炸理论有些异曲同工之妙,都有点儿无中生有的味道。

时间的概念更不好说,大爆炸理论认为我们现在这个宇宙是从一百三十多亿年前开始的,那么开天辟地之前宇宙是什么?有很多人认为大爆炸理论是胡扯,宇宙怎么可能从一个特别小的奇点膨胀到现在这么大,可是科学家讲究实证和推演。大爆炸理论的实证就是宇宙现在还在膨胀。推演回去就会成为倒推成一个点。至于的其他说法,只要能够拿出实证,也可以尽情推演。以理服人并不容易。


黄骠马主人


基本解释:

● 间(間)

◎ 两段时间相接的地方,或介于两桩事物当中及其相互关系:中间。间距。间奏。天地之间。

◎ 在一定空间或时间内:田间。人间。

◎ 房子内隔成的部分:里间。衣帽间。间量。

◎ 量词,房屋的最小单位:一间房。

◎ 一会儿,顷刻:瞬间。

◎ 近来。

● 间(間)jiàn ㄐㄧㄢˋ

◎ 空隙:间隙。当间儿。亲密无间。

◎ 隔开,不连接:间隔。间断。间接。间日。间歇。黑白相间。

◎ 挑拨使人不和:离间。间谍。反间计。

◎ 拔去,除去:间苗。

时空应该是时间与空间混合的称呼,从字典意义来看,间应该有量度单位的,例如房间,如果以米作量度单位,应该有长度✖️宽度✖️高度这样的容积,容积与体积不同,容积可以放东西,但体积不一样,体积只表示能占用多少空间,空间由于需要边界条件的约定,才能确定空间,无边无际不能确定定义空间,就像白天,黑夜,只有共同存在白天,黑夜才能定义白天,黑夜。所以空间是有限的。

时间,就我知道的,以公元日历年,月,日,小时,分钟,秒,只在地球上有这种事,一日分为白天与黑夜,这只在地球存在,地球之外根本没有这些,因此地球之外根本没有时空的存在,根本就没有时空这种东西。


KongZWang


严肃的来讲,并不能把时空放在一起这样笼统的问,因为时间只是物质运动过程中的一种外在表象,而空间是宇宙中最基本最基础的常量。对于宇宙来讲,离开空间一切免谈;而时间只对应物质的运动物质在运动过程中的形态改变而显现而流逝,它是一种虚态,离开宇宙间的物质存在物质运动物质形态改变时间就会消逝得无影无踪!最后给你的答案是:宇宙空间是无限大的。其原因是:没有任何东西能够阻断或者包容空间,所以空间无止境。而时间呢,它并不与空间共生共存,而只是与永远运动着的宏观物质相伴而生。这就是宇宙中空间与时间的不同与差异。所以,过去所说的:天地四方曰宇,古往今来曰宙是不确切的宇宙定义。而应该是:无限虚空为宇,永动物质为宙。探讨到这里我们就会明白了,宇宙的基础是无是无边无迹的虚空;宇宙的实体是有是无法数计的物质。无限的虚空中容纳了无限的物质就是宇宙。所以,宇宙是无限的。


昊田2


时空是存在的吗?时间是人的意志表现的叠加现像的延展,空间是分辨物物的人的意志对现像的功能性的映像。不能说时空是不是无限大,这个说辞无法证伪,亦无法证实。本质是怎样的我们不可知,我们可知可探知的只是特别的针对我们本身特性的一面,当然这一面于我们就足够了,也是无奈的事,因为长江水中的鱼无法知道美国大峡谷里山羊的表现,那么我们又怎么敢说我确实是怎样的知识呢?


刘连涛3


我们很多人经常是把时间与空间割裂开来分别对待,实际上是时间与空间是如影相随,不可分割。物质运动的时刻状态,是时间的反应。其实这个问题需要用爱因斯坦的相对论来解释,非常复杂,也不是我们非专业人士能阐述的问题。但有一点现在得到了比较多的认可,那就是空间有限,时间无限。


宁静致远WQ


为什么说《宇宙物理体系》是终极物理?

它抽取物质基本性质即物性,对物质世界宇宙大自然万象运行机理进行统一解释,这种统一解释不存在矛盾,也就是宇宙大自然的终极解释。物性至顶,所以终极。


天山我才


时空是无限大,没有质疑,宇宙的空间永远走不完,时间往前移也没有尽头。


我的名字白兴长明白吗


我觉得空间是真实无限的。

时间是可变的虚存在。

不变的是真,变化的是假。

虚空中有虚空之灵。

虚空之灵创造了宇宙。

宇宙是虚拟存在。

造作出来的是假,非造作出来的是真。

能造作的是非造作出来的。

精神是造化者是永恒的真实存在。


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