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单词 到达宇宙边缘,能把“手”伸出去吗
释义 到达宇宙边缘,能把“手”伸出去吗

一位佚名艺术家的木刻“探索更外面的宇宙”
如果能来到宇宙边缘,那就一定可以把“手”伸出去,问题在于宇宙有没有边缘呢?答案是否定的!也就是说,宇宙是没有边界的。
为什么说宇宙是无边的呢?因为宇宙是空间、时间和时空中万物的总称,所以宇宙和普通物体有本质的区别。对于普通的物体,我们需要知道它的边界,来区分是或者不是该物体,是在它的内部还是外部。而宇宙就不同了,宇宙是唯一的,没有宇宙和非宇宙之分,宇宙只有“内”,没有“外”,宇宙的边界也就无从说起。
无边的宇宙会是什么样子的呢?
在20世纪以前,人们普遍接受的是牛顿的静态宇宙观:时间、空间和宇宙中的物体都是独立存在的。空间是平坦的,在各个方向上无限延伸,时间则无始无终地流淌。这样的宇宙是无限的,没有边界是很自然的事情。
直到1915年,爱因斯坦提出了广义相对论,人们才认识到时间、空间和物质是紧密联系在一起的。如果一个物体有质量,就会导致其周围时空的弯曲。时空的弯曲又会反过来影响到其他物体的运动。这种影响,按牛顿力学来理解,就是引力作用。
那么,我们的宇宙是怎样的呢?因为无法直观地表示三维空间是怎样弯曲的,所以只能简化地用二维的表面来类比:如果宇宙物质足够稀疏,物质和能量的平均密度很低,那么空间的弯曲就像是“马鞍面”;反之,如果宇宙中的物质足够密,那么空间的弯曲就像“球面”。“马鞍面”是一个开放的曲面,可以无限延伸;而球面是一个闭合的曲面,其面积是有限的。这就意味着,如果宇宙物质足够密,我们就是处在一个有限的空间里。

用三角形内角之和判定空间的性质
如果空间有限,是不是一定就有边界?其实不然,有限的空间也可以是无边的。这怎么理解呢?爱因斯坦曾经举过一个生动的例子:假想一个被无限压扁了的二维的虫子,生活在二维的球面上。球面的面积是有限的,虫子可以到处爬,也可以绕一圈爬回原地,但就是找不到边。实际情况当然要复杂得多,但这种类比有助于理解什么是“有限”而“无边”。

二维球面就是一个面积有限但无边界的例子
目前的观测与研究表明,我们的宇宙很可能是介于疏和密的临界状态,所以有可能是平坦的。但不管怎样,无论宇宙是有限的还是无限的,它都是无边的。在天文学和物理学中还有一个狭义的宇宙的定义,那就是“可观测宇宙”。现代宇宙学的研究告诉我们,宇宙的年龄是有限的,它起源于138亿年以前的“大爆炸”。由于光的传播速度是有限的,所以我们在宇宙中能看到的最远距离就是光速乘以宇宙的年龄。更远地方发出的光还没有足够的时间“跑到”我们这里,我们看不见。这个观测上的极限称为宇宙视界。视界范围内的宇宙就是我们的可观测宇宙。
视界是不是宇宙的边界呢?如果我们有能力跑到视界那么遥远的地方,会看到怎样的景象呢?还是让我们打个比方吧:这就像是在孤岛上瞭望四周的大海,我们的目力所及是有极限的,最远所能看到的地方就是地平线(英文中“视界”和“地平线”是同一个词horizon)。如果我们在接近地平线的地方发现有一条船,这就像在宇宙中找到了一个极其遥远的星系。船上的人会看到什么呢?不难想象,船上的人根本不会觉得自己处在什么边缘的地方,他的四周也一样都是茫茫大海,他可能发现在某个方向的地平线处有个小岛,岛上有人正向他极目眺望。所以,所谓的视界是针对特定的观测者而言的,并不是我们通常意义上的边界。不同地方的观测者有不同的视界,视界就是以观测者为中心的各个方向的观测极限。由此,我们可以认识一个有趣的现象,无论我们在宇宙中旅行到了哪里,都会感觉自己身处宇宙的中心!(邵正义)
【微博士】短程线
也叫测地线,可理解为空间中连接两点的局部最短路径。在平面上,短程线就是普通的一段直线。在球面上,短程线是穿过整个球面的大圆弧的一段。在球面上,由短程线构成的球面三角形的内角和大于180°。而在马鞍面上,对应的三角形内角和则小于180°。我们可以通过测量三角形的内角和,来判断自己所在的空间是开放的还是闭合的。
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