1、“宇宙到底是什么样子?”目前尚无定论。

2、值得一提的是史蒂芬·霍金的观点比较让人容易接受：宇宙有限而无界，只不过比地球多了几维。

3、比如，我们的地球就是有限而无界的。

【资料图】

4、在地球上，无论从南极走到北极，还是从北极走到南极，你始终不可能找到地球的边界，但你不能由此认为地球是无限的。

5、实际上，我们都知道地球是有限的。

6、地球如此，宇宙亦是如此。

7、 怎么理解宇宙比地球多了几维呢?举个例子：一个小球沿地面滚动并掉进了一个小洞中，在我们看来，小球是存在的，它还在洞里面，因为我们人类是“三维”的；而对于一个动物来说，它得出的结论就会是：小球已经不存在了!它消失了。

8、为什么会得出这样的结论呢?因为它生活在“二维”世界里，对“三维”事件是无法清楚理解的。

9、同样的道理，我们人类生活在“三维”世界里，对于比我们多几维的宇宙，也是很难理解清楚的。

10、这也正是对于“宇宙是什么样子”这个问题无法解释清楚的原因。

11、 均匀的宇宙 长期以来，人们相信地球是宇宙的中心。

12、哥白尼把这个观点颠倒了过来，他认为太阳才是宇宙的中心。

13、地球和其他行星都围绕着太阳转动，恒星则镶嵌在天球的最外层上。

14、布鲁诺进一步认为，宇宙没有中心，恒星都是遥远的太阳。

15、 无论是托勒密的地心说还是哥白尼的日心说，都认为宇宙是有限的。

16、教会支持宇宙有限的论点。

17、但是，布鲁诺居然敢说宇宙．是无限的，从而挑起了宇宙究竟有限还是无限的长期论战。

18、这场论战并没有因为教会烧死布鲁诺而停止下来。

19、主张宇宙有限的人说：“宇宙怎么可能是无限的呢?”这个问题确实不容易说清楚。

20、主张宇宙无限的人则反问：“宇宙怎么可能是有限的呢?”这个问题同样也不好回答。

21、 随着天文观测技术的发展，人们看到，确实像布鲁诺所说的那样，恒星是遥远的太阳。

22、人们还进一步认识到，银河是由无数个太阳系组成的大星系，我们的太阳系处在银河系的边缘，围绕着银河系的中心旋转，转速大约每秒250千米，围绕银心转一圈约需2.5亿年。

23、太阳系的直径充其量约1光年，而银河系的直径则高达10万光年。

24、银河系由1000多亿颗恒星组成，太阳系在银河系中的地位，真像一粒砂子处在北京城中。

25、后来又发现，我们的银河系还与其他银河系组成更大的星系团，星系团的直径约为107光年(1000万光年)。

26、目前，望远镜观测距离已达100亿光年以上，在所见的范围内，有无数的星系团存在，这些星系团不再组成更大的团，而是均匀各向同性地分布着。

27、这就是说，在10的7次方光年的尺度以下，物质是成团分布的。

28、卫星绕着行星转动，行星、彗星则绕着恒星转动，形成一个个太阳系。

29、这些太阳系分别由一个、两个、三个或更多个太阳以及它们的行星组成。

30、有两个太阳的称为双星系，有三个以上太阳的称为聚星系。

31、成千亿个太阳系聚集在一起，形成银河系，组成银河系的恒星(太阳系)都围绕着共同的重心——银心转动。

32、无数的银河系组成星系团，团中的各银河系同样也围绕它们共同的重心转动。

33、但是，星系团之间，不再有成团结构。

34、各个星系团均匀地分布着，无规则地运动着。

35、从我们地球上往四面八方看，情况都差不多。

36、粗略地说，星系固有点像容器中的气体分子，均匀分布着，做着无规则运动。

37、这就是说，在10的8次方光年(一亿光年)的尺度以上，宇宙中物质的分布不再是成团的，而是均匀分布的。

38、由于光的传播需要时间，我们看到的距离我们一亿光年的星系，实际上是那个星系一亿年以前的样子。

39、所以，我们用望远镜看到的，不仅是空间距离遥远的星系，而且是它们的过去。

40、从望远镜看来，不管多远距离的星系团，都均匀各向同性地分布着。

41、 因而我们可以认为，宇观尺度上(10的5次方光年以上)物质分布的均匀状态，不是现在才有的，而是早已如此。

42、 于是，天体物理学家提出一条规律，即所谓宇宙学原理。

43、这条原理说，在宇观尺度上，三维空间在任何时刻都是均匀各向同性的。

44、现在看来，宇宙学原理是对的。

45、所有的星系都差不多，都有相似的演化历程。

46、因此我们用望远镜看到的遥远星系，既是它们过去的形象，也是我们星系过去的形象。

47、望远镜不仅在看空间，而且在看时间，在看我们的历史。

48、 2、有限而无边的宇宙 爱因斯坦发表广义相对论后，考虑到万有引力比电磁力弱得多，不可能在分子、原子、原子核等研究中产生重要的影响，因而他把注意力放在了天体物理上。

49、他认为，宇宙才是广义相对论大有用武之地的领域。

50、 爱因斯坦1915年发表广义相对论，1917年就提出一个建立在广义相对论基础上的宇宙模型。

51、这是一个人们完全意想不到的模型。

52、在这个模型中，宇宙的三维空间是有限无边的，而且不随时间变化。

53、以往人们认为，有限就是有边，无限就是无边。

54、爱因斯坦把有限和有边这两个概念区分开来。

55、 一个长方形的桌面，有确定的长和宽，也有确定的面积，因而大小是有限的。

56、同时它有明显的四条边，因此是有边的。

57、如果有一个小甲虫在它上面爬，无论朝哪个方向爬，都会很快到达桌面的边缘。

58、所以桌面是有限有边的二维空间。

59、如果桌面向四面八方无限伸展，成为欧氏几何中的平面，那么，这个欧氏平面是无限无边的二维空间。

60、 我们再看一个篮球的表面，如果篮球的半径为r，那么球面的面积是4πr的2次方，大小是有限的。

61、但是，这个二维球面是无边的。

62、假如有一个小甲虫在它上面爬，永远也不会走到尽头。

63、所以，篮球面是一个有限无边的二维空间。

64、 按照宇宙学原理，在宇观尺度上，三维空间是均匀各向同性的。

65、爱因斯坦认为，这样的三维空间必定是常曲率空间，也就是说空间各点的弯曲程度应该相同，即应该有相同的曲率。

66、由于有物质存在，四维时空应该是弯曲的。

67、三维空间也应是弯的而不应是平的。

68、爱因斯坦觉得，这样的宇宙很可能是三维超球面。

69、三维超球面不是通常的球体，而是二维球面的推广。

70、通常的球体是有限有边的，体积是4/3πr的3次方，它的边就是二维球面。

71、三维超球面是有限无边的，生活在其中的三维生物(例如我们人类就是有长、宽、高的三维生物)，无论朝哪个方向前进均碰不到边。

72、假如它一直朝北走，最终会从南边走回来。

73、 宇宙学原理还认为，三维空间的均匀各向同性是在任何时刻都保持的。

74、爱因斯坦觉得其中最简单阶情况就是静态宇宙，也就是说，不随时间变化的宇宙。

75、这样的宇宙只要在某一时刻均匀各向同性，就永远保持均匀各向同性。

76、 爱因斯坦试图在三维空间均匀各向同性、且不随时间变化的假定下，救解广义相对论的场方程。

77、场方程非常复杂，而且需要知道初始条件(宇宙最初的情况)和边界条件(宇宙边缘处的情况)才能求解。

78、本来，解这样的方程是十分困难的事情，但是爱因斯坦非常聪明，他设想宇宙是有限无边的，没有边自然就不需要边界条件。

79、他又设想宇宙是静态的，现在和过去都一样，初始条件也就不需要了。

80、再加上对称性的限制(要求三维空间均匀各向同性)，场方程就变得好解多了。

81、但还是得不出结果。

82、反复思考后，爱因斯坦终于明白了求不出解的原因：广义相对论可以看作万有引力定律的推广，只包含“吸引效应”不包含“排斥效应”。

83、而维持一个不随时间变化的宇宙，必须有排斥效应与吸引效应相平衡才行。

84、这就是说，从广义相对论场方程不可能得出“静态”宇宙。

85、要想得出静态宇宙，必须修改场方程。

86、于是他在方程中增加了一个“排斥项”，叫做宇宙项。

87、这样，爱因斯坦终于计算出了一个静态的、均匀各向同性的、有限无边的宇宙模型。

88、一时间大家非常兴奋，科学终于告诉我们，宇宙是不随时间变化的、是有限无边的。

89、看来，关于宇宙有限还是无限的争论似乎可以画上一个句号了。

本文分享完毕，希望对大家有所帮助。