夜晚,抬頭仰望茫茫星空,就是具有一定天文學知識的人,也會自然而然地提出這樣一個問題:宇宙是有限的,還是無限的呢?換成通俗的說法就是,宇宙有沒有盡頭呢?這是一個回答起來十分困難的問題。
假如說宇宙沒有邊界,那麼宇宙中就應該有無限多的恒星,不論你朝天空哪個方向望去,都應該能看到無限多的恒星。雖然每一顆恒星的光很暗弱,但無限的恒星的光芒合起來就會無限地亮。如果真是這樣的話,地球上就不應該有黑夜,背朝太陽那一邊也應該很亮。
宇宙是什麼?
如果說宇宙是有邊界的,那麼它的外麵是什麼呢?其實,這樣提問題本身就是荒唐的。
如果你問宇宙外邊是什麼,就等於你已經承認宇宙有邊界,否則怎麼會有外麵呢?盡管這個問題難以回答,但因為它是物理學研究領域中的一個極其重要的宇宙學問題,所以曆代科學家都在積極地加以探索,力爭對此做出合理的解釋來。
在伽利略和牛頓之前,許多人信奉亞裏士多德的觀點,認為宇宙是一個有限的結構,宇宙的最外層是由恒星天體構成的,因此恒星天體就是宇宙的邊界,在它之外,就沒有空間了。可以說,哥白尼的“太陽中心說”就是建立在這種假說的基礎上的。
在牛頓生活的時代,科學家們開始接受無限無邊的觀點,即認為宇宙的體積是無限的,也沒有空間邊界。
宇宙空間是一個三維無限的歐幾裏德多向空間,即在上、下、左、右、前、後
這6個方向上,都可以一直走下去,以至延伸到無窮遠。
這種宇宙無限的觀點在打破中世紀宗教神學的精神枷鎖的鬥爭中,起過非常積極的作用,但它跟亞裏士多德的學說一樣,都是沒有被證明的科學假說。
在牛頓的力學中,每當探討一個有限的力學體係的運動時,總要假定可以選取的一個參考係,使引力勢(相當於電學中的中勢)在無限遠處成為常數。
如果承認牛頓的無限宇宙圖像,認為物質均勻地分布在整個無限空間之中,那麼,根據牛頓力學又會得到無限遠處引力勢必不可能為常數的結論,這就是一個矛盾。
如果要證明無限遠處引力勢必為常數,就要放棄物質均勻分布在整個無限空間內的假設,並認為物質主要集中在我們周圍的有限空間,那麼無限遠處雖然是常數,但物質的宇宙卻仍然是有限的。因此,牛頓力學在原則上不能用於描述無限宇宙這一物理體係。
進入20世紀後,愛因斯坦提出了“廣義相對論”的理論,他認為不應先驗地假定宇宙空間必定是三維無限的歐幾裏德空間,因為宇宙的空間結構並不是與宇宙間的物質運動無關的。
愛因斯坦提出了第一個宇宙模型,它既不是亞裏士多德的有限有邊體係,也不是牛頓的無限無邊的體係,而是一個有限無邊的體係。
所謂有限是指空間體積有限;所謂無邊,指的是這個三維空間並不是一個更大的三維空間中的一部分,它已經包括了全部空間。實際上,有限無邊的概念並不是在愛因斯坦的宇宙模型中才第一次提到。在他之前,亞裏士多德就認為大地並不是平坦無邊的,而是一個球形的。實質上,這就是用有限無邊的球麵結構代替了無限無邊的平麵結構。
我們可以這樣來解釋愛因斯坦提出的這個有限無邊的世界:假如有一隻小螞蟻在一隻大球上爬行,這個球本身是有限的,但球麵根本沒有邊界,對於螞蟻來說又是無限的。我們人類和這隻螞蟻一樣,就生活在這樣一個有限而無邊的宇宙中。
在愛因斯坦之後,天文學家又提出了新的宇宙模型學說。這種學說認為,宇宙的空間尺度一直在隨著時間而不斷增大,也就是說,宇宙正在不斷膨脹。
宇宙自從誕生到現在,時時刻刻都在膨脹,一直沒有停止過。我們已經知道,類星體是離我們最遠的星星,最遠的類星體大約離開我們有100億光年。這個範圍大致上也就是目前我們觀測到的宇宙的大小。這麼大的宇宙中總共有多少個物質呢?有人做過一計算,如果把所有的物質都做成太陽,那麼整個宇宙內就可以有1000萬億億個“太陽”,也就是在1後麵跟23個零。既然宇宙處在不斷膨脹的運動中,那麼它的邊界每時每刻都應該有具體的位置。從這個意義上說,宇宙應該是有限的。然而,宇宙的邊界又在不斷地向外擴展,科學家們還無法推算出它最終將膨脹到什麼程度,會不會永遠膨脹下去。從這個意義上講,宇宙又是無限的。說到這裏,我們不能不這樣認為,宇宙中存在著千千萬萬個謎,而宇宙本身就是一個最大的謎。
答:宇宙是物質現象的總和。廣義上指無限多樣、永恒發展的物質世界,狹義上指一定時代觀測所及的最大天體係統。現在相當於天文學中的“總星係”。