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怎樣理解宇宙的“有界無邊”

 昵稱27494174 2017-01-14
怎樣理解宇宙的“有界無邊”
一、傳統(tǒng)的宇宙觀
在牛頓時代,人們對宇宙的理解是無邊無際,無始無終,宇宙獨立存在于物質(zhì)之外。宇宙像個無限大的盒子,里面可以存放無限多的物質(zhì),不管有物質(zhì)沒物質(zhì),宇宙都是存在的,稱之為“絕對時空”。
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當(dāng)時迪卡爾建立了三維坐標(biāo)系,我們在中學(xué)都學(xué)過。XYZ三個軸代表上下、左右、前后三個方向,互相垂直,三個軸可以筆直地通往無限遠。
中國古人也是這樣理解,“往古來今謂之宙,四方上下謂之宇”,比牛頓的宇宙觀還先進,已經(jīng)把時間軸放進了宇宙觀里面,而且“四方上下”,恰好也是XYZ三個軸。
總之,古人,包括現(xiàn)代人中的99.9%仍然是這樣理解宇宙。但從20世紀(jì)開始,物理學(xué)界的宇宙觀已經(jīng)發(fā)生了翻天覆地的變化,時間不再是無始無終,而是從宇宙大爆炸開始算的,到現(xiàn)在不過一二百億年,空間也不再是無邊無界,而是“有界無邊”。
這些概念非常難以理解,完全不符合常識。許多極聰明的人都認(rèn)為完全是胡扯,比如文筆極佳的姚文元先生之流,文革中組織批判過這些“資產(chǎn)階級謬論”,到現(xiàn)在大多數(shù)人們也還是不相信,即使勉強相信但無法理解。
二、對無限宇宙的質(zhì)疑
其實十九世紀(jì)的科學(xué)家就已經(jīng)對無限宇宙提出過質(zhì)疑,當(dāng)時有兩個著名的難題無法解釋。
第一個叫做“光度佯謬”,這是德國哲學(xué)家奧爾伯特提出來的,他說:如果宇宙是無限的,星系均勻地遍布整個宇宙,每個星系都放射光芒,那么當(dāng)人們遙望天際時,整個天空應(yīng)該是燦爛輝煌,但實際并非如此。
第二個叫做“引力佯謬”,德國物理學(xué)家西利格爾指出,如果宇宙存在無限多的天體,并且這些天體具有無限大的質(zhì)量,那么它們作用在宇宙間任何一個物體上的萬有引力應(yīng)該是無限大,在這種情況下,物體應(yīng)該獲得無限大的加速度,但實際上并非如此。
這些“佯謬”是科學(xué)家所無法破解的,既然無限宇宙有可能不對頭,那么宇宙會不會是有限的呢?
三、從三維空間看二維空間
怎樣理解宇宙的“有界無邊”?下面這個例子很
能說明問題。
假如一個極微小的蟲子生活在二維空間中,它不會飛,只會爬,在它的世界里,只有前后左右,沒有上下的概念,那么它就會認(rèn)為世界就是這樣一張平鋪的紙面,無論向哪個方向都筆直地通向無限遠,一去不復(fù)返。
而我們生活在三維空間中,可以居高臨下地俯視這只可憐的蟲子,我們實際上看到,這只蟲子不過在一個大西瓜上爬,在它眼界中平鋪的世界,實際上是彎曲的,是球形的,但蟲子太小,看不出來。
怎樣理解宇宙的“有界無邊”
其實這跟古人看地球沒什么兩樣,那時我們也以為大地就是這樣四方無限平鋪的,我們?nèi)祟惖难酃夂苡邢蓿究床怀鑫覀兊拇蟮貙嶋H上是個球形。
這只蟲子如果筆直地朝一個方向(比如向東)爬過去,它以為離“西”越來越遠,不料幾天之后,它居然轉(zhuǎn)了一圈,又從西邊爬了回來,回到原位置,那時蟲子將陷入迷茫,不知如何理解。
古人實際上還不如蟲子,那時中國人最遠也不過是到西天去取經(jīng),即使到了明代,鄭和船隊最遠也不過到了非洲,根本就沒有轉(zhuǎn)一圈繞回來。所以他們從來沒產(chǎn)生過迷茫,沒懷疑過“天圓地方”之說。
現(xiàn)在我們當(dāng)然已經(jīng)完全清楚地球是怎么回事了,而地球恰恰就是“有界無邊”的一個世界,說它“有界”,是說地球有大小,有半徑,,說它“無邊”,意思是你無論朝哪個方向走也找不到它的邊兒。
古人則認(rèn)為大地是有邊的,那就是“四?!保蟮厥菓腋≡谒暮Vg的一塊平板陸地,到了海邊,前面就無法再走了。至于海的那邊,他們連想都沒想過。
怎樣理解宇宙的“有界無邊”
四、從四維時空看三維宇宙
在愛因斯坦的相對論中,他把時間也算成特殊的一維,加在三維世界上,就構(gòu)成了四維宇宙。在他的相對論里,這個四維時空是彎曲的,是一個閉合空間。
既然我們在三維世界能理解小蟲子的二維世界中的“有界無邊”,只要往上升一維,同樣也就能理解從四維時空中俯視三維宇宙的“有界無邊”。
也就是說,在四維時空中,宇宙是有限的,有大小,有半徑的,即所謂“有界”,但你無論朝哪個方向走,因為時空彎曲的緣故,最終還是回到原點。我們找不到宇宙的邊在哪兒,這就是“無邊”。
五、時空彎曲
我們看蟲子的二維世界,很容易理解它以為的那個平面實際上是彎曲的,而蟲子自己永遠無法理解。
同樣,如果有一種能生活在四維時空的生物,他們看我們的三維世界,也能看出彎曲來,而我們自己卻無法理解。
我們假定我們的坐標(biāo)軸是筆直的,但什么叫“筆直”就不那么簡單了,在數(shù)學(xué)上可以隨便定義,但在物理中,在實際測量時,你必須借助一個東西才能得到“筆直”,這個東西不是別的,就是光線。而我們的整個空間概念都建立在光線的上面,光線就是筆直的標(biāo)準(zhǔn)。
不錯,在一般的情況下,光線都是筆直的。但愛因斯坦認(rèn)為,當(dāng)光線經(jīng)過極大引力場時,它會彎曲。他不光是說說,而且經(jīng)過計算,預(yù)言當(dāng)日蝕時,我們會看到太陽背后的,本來看不到的一顆恒星,這就能證明光線在太陽的引力下彎曲了,連彎曲多少他都計算出來了。
果然,后來天文學(xué)家真的在愛因斯坦預(yù)言的位置上看到了那顆本來看不到的恒星,大家不得不承認(rèn)光線是可以彎曲的。
后來天文學(xué)家又發(fā)現(xiàn)了黑洞,其質(zhì)量大得不可想象,引力當(dāng)然也大得不可想象,引力越大,光線就彎曲得越厲害,以至于黑洞里面往外發(fā)射的光線彎了180度,又拐回去了。也就是說,它的引力大得連光線都射不出來,所以它就成了黑洞。黑洞實際上并不是一個洞,而是一種天體,只不過你看不到它,因為它發(fā)不出光線來。
但光線是筆直的標(biāo)準(zhǔn),連光線都不筆直了,你還拿什么做標(biāo)準(zhǔn)去測量宇宙?所以光線彎曲這句話也可以換個方式說,光線還是筆直的,只不過時空彎曲了。這兩種說法在數(shù)學(xué)上是等效的,你分不出它們有什么區(qū)別。
怎樣理解宇宙的“有界無邊”
所以,如果我們依然以光線做為測量標(biāo)準(zhǔn),只好認(rèn)為時空被引力場拉得彎曲了。
好比我們在大海上航行,一般都是沿著一條直線前進,這是最短路徑。在船員看來,我們走的是一條直線,但在宇航員看起來,船在球面上航行,走的實際上是一條曲線。
宇航員說,那艘船走的是曲線,永遠走不了直線,船員也可以說,我們走的還是直線,只不過空間被彎曲了。這不過是兩種等效的說法而已。
六、時空彎曲與宇宙“無邊”
地球就是一個“有界無邊”的天體,而我們的宇宙也一樣,只不過要在四維時空中來想象。
既然四維時空是彎曲的,就像地球一樣,是沒有邊的。我們即使看準(zhǔn)一個方向照直走,最終結(jié)果還是要回到原點來,不可能找到宇宙的邊。
有一位物理學(xué)家,用一個被蛀蟲蛀得滿是隧道的蘋果來比喻宇宙的“有界無邊”,你以為你在蘋果中照直前進,實際上因為隧道的彎曲,你不由自主地就走成了一條彎曲的路徑,最終回到出發(fā)原點。
有人質(zhì)疑說,既然宇宙是有限的,那么宇宙外面是什么?現(xiàn)在我們明白了這個道理,就可以回答他。宇宙雖然有限,但它沒邊,既然找不到邊兒,當(dāng)然也就沒有“宇宙外面”了。
當(dāng)然,蘋果是有外面的,而宇宙并不是蘋果,只不過用三維的蘋果打比方來形容四維時空而已。只是借這個道理來說明,既然時空彎曲,光線彎曲,所以你永遠不可能走出宇宙,只能是繞圈子。
七,人類有沒有可能站在四維時空中俯視三維空間?
我們打了許多比方,但讀者還是很難理解時空彎曲,以及宇宙的“有界無邊”。因為我們還是生活在三維空間里,無法直接感受到四維時空,所以也沒辦法在三維空間中舉例來說明四維里的事情,在這里,所有的例子都是拙劣的,不恰當(dāng)?shù)?,不?zhǔn)確的。你只能做數(shù)學(xué)想象去推廣。
我們在前面講過,三維空間中的人可以俯視二維空間中的小蟲子,所以我們可以理解蟲子的空間彎曲。那么我們自己有沒有可能跳出三維空間,站在四維時空的宇宙中,俯視我們的同類?
這就要考察多出來的那一維是什么?是時間。我們?yōu)槭裁礋o法感受到四維時空,是因為我們跑得太慢了,所以感受不到時間在宇宙中起的作用。
比如那只西瓜上的蟲子,為什么感覺不到西瓜是圓的?一是它太小,主要還是它跑得太慢,好幾天才爬一點兒,當(dāng)然看不出來。假如它幾秒鐘就能繞西瓜轉(zhuǎn)一圈,馬上就能感覺出來西瓜不是個無限大的平板,它眼前的“地平線”后來不斷有新的“地面”轉(zhuǎn)過來,幾秒鐘又轉(zhuǎn)回了原來出發(fā)的地方,它就能清楚地感覺到西瓜其實是圓的。
我們?nèi)艘彩且粯?,跑得太慢,別說日行千里的快馬,即使坐飛機也還是飛得太慢,飛得太低,跟蟲子在西瓜上爬沒什么區(qū)別。如果我們坐宇宙飛船,升入太空,一個多小時就繞地球一圈,當(dāng)然能感覺到它是個球體。
而要感知四維時空,就必須大大加快速度,快到什么程度呢?要能跟光速相比擬才行!宇宙飛船一秒鐘飛十公里左右,它的百倍,一千公里?或千倍,一萬公里?都不夠快,起碼也得萬倍,一秒鐘飛十萬公里,才能跟一秒鐘30萬公里的光速相比擬。當(dāng)然,實際上我們?nèi)祟惖娘w船不可能飛那么快,起碼在可見的未來是這樣。
不過我們地球上也有飛得這么快的東西,那就是高能物理實驗室中的粒子,確有能達到每秒幾萬,幾十萬公里的速度,當(dāng)然不會超過光速。物理學(xué)家已經(jīng)測出,這種粒子確實呈現(xiàn)出愛因斯坦所預(yù)言的相對論效應(yīng),比如時間變慢,壽命變長,長度縮短等等,而這些效應(yīng)都跟相對論中的時空彎曲有數(shù)學(xué)關(guān)系。
如果有超人在太空中以這樣的速度飛行,我想大概能感覺出時空的彎曲。當(dāng)然,這只是幻想。我們?nèi)祟悶槭裁礋o法跳出三維空間以外去感受四維?因為我們不是超人。
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