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宇宙是无限的吗?宇宙到底有没有边界?我们的世界有中心吗?

2019-06-23来源:投资者报网
宇宙是无限的吗?宇宙到底有没有边界?我们的世界有中心吗?

宇宙没有边界。宇宙没有中心。宇宙学基本原理:宇宙是各向同性的并且是均匀的。

各项同性:站在宇宙中任何一点,朝向各个方向观察,所看到的大尺度的结构是相同的。均匀性:不管站在宇宙中的那个位置观察,所得到的大尺度的观测结果是相同的。

宇宙是无限的吗?宇宙到底有没有边界?我们的世界有中心吗?

这个基本原理直接就导出了没有中心这一点。然后很多人第一反应是:为什么要提这种假设?因为我们看到大尺度上,宇宙大致均匀的,而且我们没有理由认为我们所处的位置有什么优越性。

为什么没有边界?这需要从宇宙的拓扑说起。[ 我们没有像是数学那么严格的理由证明宇宙就是具有什么样的拓扑。]但是我们有很多的数学上的工作暗示宇宙的度规(可以理解为用来定义距离的)是什么样子。最后经过一系列的比较严格的数学和对称性的讨论,我们得出结论:承认基本原理并忽略微扰的情况下,宇宙只有三种可能的度规。其中跟观测相符合的度规是超球面。什么意思呢?可以想象一个二维的球面,比如一个气球表面。想一下,如果在气球表面上画很多均匀的点来代表星系,那么如果气球膨胀,是不是星系都相互远离?是不是找不到中心?然后,来到回到要回答的问题:是不是找不到边界?对的,没有边界。这里唯一的区别是,我们的生活的曲面是个3维的超曲面,而不是二维的面。

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需要注意的是,实际上,我们现在所讲的宇宙,一般认为是一个宇宙泡泡。因为如果我们认同暴涨理论,那么这个理论有个小问题:不同的区域都有可能发生暴涨。这样就可以成为不同的宇宙。eternal暴涨理论甚至还提出,在一个暴涨区域(可以认为就是一个可能存在生命的宇宙)内部还可以再发生更高能的暴涨,如此,就会发生宇宙中嵌套宇宙的情况,如果是这样,回答宇宙是否有限,就有需要先定义一下,宇宙指的是什么了。

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数学上,很多宇宙整体拓扑模型都是可能的,包括有界的和无界的。物理上,我们不知道。这方面霍金数学上做了很大贡献,但是物理上没有结论。目前普遍接受的是有限无界。

目前测量的微波背景辐射表明,宇宙还是比较平的,也就是比较接近欧几里德空间。如果宇宙是完全平的,宇宙的整体拓扑应该是或者平的,或者柱形,或者莫比乌斯带,我们不知道。不过我所知的宇宙模型中,没有一个是可以定义中心的。

大爆炸是一个借用的词,描述物理观测后,数学上证明的宇宙从无到有的过程。切勿将之想象成我们现实中的爆炸现象。宇宙的初期我们知道很少,没有任何证据说经过大爆炸宇宙就有界了。

早在2200多年前,东汉天文学家张衡就曾在《灵宪》中提到“宇之表无极,宙之端无尚”。这说明宇宙是有限无界的,宇宙就是时间和空间的统一。 太阳系够大吗?网络上可查的太阳系疆界范围,以冥王星轨道为边界约为40天文单位。(1天文单位≈1.5亿公里)相当于绕地球3750圈,完爆多年前的香飘飘奶茶。而后来被误认为太阳系边界的EKB半径则是达到100天文单位,但更远的欧特云的离日距离达到50,000-100,000个天文单位……众所周知,(或者说学过高中地理必修一的)都知道。浩瀚宇宙中,太阳只是银河系2000多亿恒星之一。而银河系之外还有千万个河外星系,与之组成偌大的总星系。而总星系外必然还有还会有物质存在……

反观唯心主义者,主张推崇神创论,世间万物皆是神的产物。即宇宙有限论,认为宇宙存在边界,时间存在始末,世界存在末日,这对自然科学的认识则不免有失偏颇。我国古代西汉时期思想家董仲舒,曾经提出的“大一统”以及“天人感应”的思想主张。其哲学基础便是天人感应、君权神授。实则只是巩固皇权和封建阶级统治的一种政治手段罢了。

那么宇宙有没有中心呢?很遗憾,在四维甚至多维的宇宙空间中,我们人类只是存在于四维宇宙空间闭合三维面上的可怜低级的三维生物。因此你找不到它的中心,因为它的中心在四维及以上空间里,或者就说根本没有中心。

然战国惠施有言:“至大无外,谓之大一;至小无内,谓之小一。”至大,可漭弥渺渺。至小,沙粒之中亦有宇宙。

宇宙是无限的吗?宇宙到底有没有边界?我们的世界有中心吗?

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首先说一下结论,宇宙是没有边界没有中心的,但是否是无限的目前没有定论

要回答这个问题,我们首先要弄清楚空间的形状是怎样的。说空间的形状可能会觉得很抽象,那我们想象一下二维的空间吧,就比如一张地图好了,一张地图可以有不同的形状,这是因为它可以在更高的维度上弯曲,比如一张平坦的地图你把它揉皱了,它的形状就变了,那些褶皱的地方就是向另外的维度弯曲了,这可以表述为那些地方「具有了不为0的曲率」。这样的话就可能出现空间是有限的但是却没有边界,比如地球仪表面的地图,它的形状是封闭的,如果这个二维世界生活着二维人类的话,它们就会觉得这个世界没有边界,因为他们向着任何一个方向都可以永远走下去(想象在球面上用笔朝着任意方向画线,可以一直画下去),但是我们都知道其实这个球面的面积是有限的。这样的情况推广到三维,我们就不禁会想我们日常感知到的这个三维空间,会不会也在更高的维度弯曲了呢?若是弯曲了,又弯曲成怎样的呢?

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科学不会只是想象,我们必须要去观测和实验。对于宇宙的观测表示,宇宙在大尺度上,所有的位置和所有的方向都是相对于彼此对称的。即上面有答主所说的各向同性和均匀性(这里就用「对称性」来概括),这种对称性说明宇宙中没有哪个位置是特殊的,所以也就没有中心一说了。对称性帮助我们淘汰掉许多宇宙可能的形状,剩下了以下三种情况(还是以二维来类比):

宇宙是无限的吗?宇宙到底有没有边界?我们的世界有中心吗?

图片中第一种“球形”被称为正曲率面(无边界有限),第二种“马鞍形”被称为负曲率面(无边界无限),而最后一种“平坦形”被称为零曲率面(无边界),值得注意的是,最后一种也有两种情况,一种是无限大的平面,另一种是有限大小,但是首尾相连(从一端消逝会从另一端出现),这种形状被称为二维圆环。可以看到,无论哪种形状,我们的宇宙都是没有边界的。

那么宇宙到底是以上的哪一种形状呢?

解决这个问题有一个方法是借助爱因斯坦的广义相对论,将宇宙中所有物质和能量(因为对称性所以假定这些物质和能量均匀分布)作为爱因斯坦方程的输入,从而得到空间的曲率,而困难之处在于,我们很难确切地获知宇宙中实际有多少物质和能量。这里有一个概念,即临界密度 克每立方米,相当于每一立方米中有5个氢原子),若宇宙中物质和能量的密度大于临界密度,那么从爱因斯坦方程得到的空间曲率为正,小于则得出负曲率,若正好等于,那说明空间没有整体曲率。目前最好的数据倾向于认为空间无曲率,所以宇宙很可能是平直的,但是不是像“二维圆环”那样就不得而知了。

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