宇宙有无边界

宇宙是膨胀的

宇宙究竟是开放的还是闭合的？空间有无边界？时间有无始终？人们想知道。

1912年，美国天文学家斯莱弗在亚利桑那州的洛厄尔天文台发现，许多星系发射的光已变红，有多普勒位移，好像它们是在离开地球。1925年，哈勃在和他的得力助手米尔顿·赫马森观测宇宙时很快就发现“红移”不仅是某些星系，而是本星系以外的一切星系都具有的特性。他们还发现，越朝远处看，星系的光谱线越移向光谱的红色一端。

因此，他们不得不作出这样的结论：一个星系离银河系越远，其飞离的速度越快。此后第四年，哈勃宣布：整个可见的宇宙是不稳定的，四面八方一律在膨胀。

宇宙的三种模型

基于“宇宙是膨胀的”这个由观测事实得到的论点，人们建立了宇宙的三种不同模型。

第一种是稳定态模型。认为宇宙一直在以不变的速率膨胀，新的物质不断产生，某一空间总是有同量的物质。

第二种是大爆炸模型。认为宇宙起源于一次大爆炸，以后各星系会无限膨胀，宇宙的全部元素供应都在爆炸的头半个小时内产生齐备，再不会有新的物质产生。

第三种是脉动模型。认为宇宙的所有物质都从一团原先被压紧的物质飞离，速度逐渐慢下来，最终停止不动，尔后开始在各部分的引力互相影响下发生收缩，物质凝聚到最后再度发生爆炸。在这些过程中，物质既没有产生，也没有毁灭，只是重新编排、互换位置。

三种宇宙模型共存，人们为此激辩了许多年，到了20世纪50年代后期，大爆炸模型渐趋上风，至1965年，更有观测证据有力地支持了大爆炸模型。从此，大爆炸模型被广泛地接受了。

大爆炸模型的延续

大爆炸模型认为，最初的宇宙是连10~25厘米也未充满的超高温、高密度的“一点”。大约180亿年前，这“一点”突然爆炸了，仅用10～36秒，伴随着真空相转移的过冷却现象，“一点”做了瞬间几十个数量级的膨胀。

其后，宇宙继续膨胀，温度从几十亿摄氏度开始下降，大约在5500万摄氏度时，由降温过程的能量生成中子、质子，它们又合为原子核，这些过程仅用了3分钟。约30万年后当宇宙的温度下降至3000摄氏度时，自由电子被原子核捕捉形成原子。在随后的大约3000万年中那些原子继续外冲，宇宙也继续冷却，到宇宙温度降至绝对零度之上167摄氏度时，原子开始化合形成稀薄气体。

此后，因密度波动、引力作用、部分收缩，向新的天体进化。再经过100多亿年，显示出多种多样的物质形态，成了今天的宇宙。当然，大爆炸理论认为今天的宇宙仍在继续膨胀。

大爆炸理论告诉了人们宇宙是怎样诞生的，但并未说明宇宙将是否会死亡或怎样死亡。对于这个问题，人类现在还未得到确切的答案。

宇宙无边但有限

人们认为，宇宙的未来取决于宇宙的几何模型，即宇宙是开放的还是闭合的。

回答这个问题，要以爱因斯坦的狭义相对论——时空理论和广义相对论——引力理论为基础。狭义相对论发现了高速运动能使时间、长度和质量发生奇怪的畸变；广义相对论指出空间是弯曲的。运用爱因斯坦的理论，可以找出一种能够确定宇宙弯曲与否的观测方法。

这种方法所根据的原理是：宇宙业已膨胀，必然会自行制动，因为各星系间的相互引力一定会发生使各星系彼此分离的飞行缓慢下来的作用。制动效应的测量方法在于过去的膨胀速度。如果过去的膨胀速度比现在的膨胀速度大得多，那就表示宇宙的行动已被制住了很多，它的曲率是正的，像一个球体表面。如果制动只有一点点，它的曲率可能是零，像普通欧几里得空间。如果完全没有制动，它的曲率就是负的，像西部马鞍的表面。到现在为止，人们对暗淡而迅速后退的星系所做的多次探测，显示出宇宙大概是正弯曲的。这就是说明宇宙无边然而是有限的，它可能往四面八方无限远地伸展，而质量并非无穷。

人类对宇宙未来的认识仅仅如此，但人类已知地球所属的太阳系及银河系是无法永存的。五六十亿年之后，太阳将膨胀成大火球，那时人类的后代只有移民到银河系别的行星上才会得以续存。

宇宙为什么有限

1917年，爱因斯坦发表了著名的“广义相对论”，为我们研究大尺度、大质量的宇宙提供了比牛顿“万有引力定律”更先进 的武器。应用后，科学家解决了恒星一生的演化问题。而宇宙是否是静止的呢？对于这一问题，连爱因斯坦也犯了一个大错误。他认为宇宙是静止的，然而1929年美国天文学家哈勃以不可辩驳的实验，证明了宇宙不是静止的，而是向外膨胀的，正像我们吹起一只大气球一样，恒星都在离我们远去，离我们越远的恒星，远离我们的速度也就越快。

可以推想：如果存在这样的恒星，它离我们足够远以至于它离开我们的速度达到光速的时候，它发出的光就永远也不可能到达我们的地球了。

从这个意义上讲，我们可以认为它是不存在的。因此，我们可以认为宇宙是有限的。

宇宙到底是什么样的？目前尚无定论。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。

比如，我们的地球就是有限而无界的。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。实际上，我们都知道地球是有限的。地球如此，宇宙也是如此。

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。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。

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。这也正是对于“宇宙是什么样的”这个问题无法解释清楚的原因。

在线小知识

欧几里得空间，简称欧氏空间，也可以称为平直空间，在数学中是对欧几里得所研究的二维和三维空间的一般化。这个一般化把欧几里得对于距离以及相关的概念长度和角度，转换成任意数维的坐标系。当一个线性空间定义了内积运算之后它就成为了欧几里得空间，欧几里得空间是无穷大的。