上帝告诉你宇宙真相(四十八):宇宙大小之谜?宇宙有多大

我们生活在宇宙中,这个宇宙是否是有限的?这个问题很使人着迷,但要讲清楚也不是个容易的事件。

统一场论对这个问题是否有帮助?按照现代人们对宇宙的看法,宇宙应该是由时间、空间和空间中的实物粒子构成的,有些学者主张把场也包括进去,这种看法没有得到普遍的认同。

按照统一场论的思想,在宇宙的组成菜单中,不但场挤不进来,而且时间也要从菜单中划掉。前面的物理世界存在的虚假性定理指出:自然界真实存在的只有物质点和它周围的空间构成,不存在第三种与之并存的东西。

我们的宇宙只是由物质点和它周围的空间构成,时间没有资格和空间、物质点平起平坐,它是由我们观察者自己身体这样的物质点在空间中运动给我们的一种感受,我们把这种感受描述出来,用一个叫 “时间”的词语表达出来,它的本质只是一个现象。当然有很多人不赞成这种看法。

上帝告诉你宇宙真相(四十八):宇宙大小之谜?宇宙有多大

根据前面的垂直原理,运动给我们的图像就是个垂直状态,你看到空间是三维的,过一点可以作出三条相互垂直的有向线段,那么空间就会运动,时间也就存在着。

从数学的角度来看,宇宙空间应该是无限的,比如自然数123456789---一直到无穷大,这个使我们明白宇宙空间距离就像自然数一样,一直延伸下去,不会有个终点。

从逻辑上讲,我们设想宇宙空间有个极限,宇宙就好像一个球形,它的直径是有限的,那这个球形的外部我们又怎么解释?除非我们从感情出发认为宇宙空间的大小是有限的,从冷静的理智出发,宇宙空间应该是无限的。

对于宇宙空间中存在的实物粒子,如果我们认为和空间一样也是无限的,这个从我们的直觉出发,好像是不可能的。因为这个似乎违法了物质守恒性。

物理学中经常提到能量守恒定律,动量守恒定律。物质粒子似乎也应该是守恒的。

一些物质粒子看似消失了,实际上是变成另外一些物质粒子。一些物质粒子看似是凭空得来的,实际上是另外一些物质损失的。自然界这些实物粒子应该是守恒的,如果不守恒,在逻辑讲将不通。相对论告诉我们质量和能量是等价的,一个地方突然多出一些物质,也就多出一些质量,也就意味着凭空冒出了能量来,这个在我们看来是极不合理的。

我们如果认定物质粒子是守恒的,认为宇宙中的物质粒子和空间一样都是无限的,这个就产生了矛盾。为了避开这个矛盾,我们设想宇宙其实就是无限的空间中心存在着一些实物粒子。这些实物粒子的存在是有限的,而他周围的空间的存在是无限的。根据统一场论,时间的存在不是基本的,我们头脑中自然就描绘出这样一幅宇宙图景:无穷无尽的空间的中心存在着一些实物粒子,这些实物粒子彼此相隔着一定的空间距离,并且在运动着。这个宇宙图景在我们看起来是自然的,也不违法我们的逻辑,看来我们应当对这个宇宙图景感到满意。

不过,一个情况还是让我们不那么痛快接受这个宇宙图景。我们知道,有限的与无限的是无法相比的,宇宙中实物粒子一旦是有限的,和无限的空间相比起来,那就显得是太太太微小了,简直就是没得比的。这个让我们从感情上、直觉上不能够接受,打破这个僵局有一个办法就是认为空间和实物粒子是能够相互转化的。当然,统一场论是不支持这种看法的。

统一场论认为宇宙就是有实物粒子和它周围空间构成,空间和实物粒子的存在是最基本的,其余的都是有实物粒子在空间中运动所形成的一种现象。实物粒子和空间的存在是平权的,没有那一个是更基本的。

如果认为空间和实物粒子能够相互转化,一种可能是空间是最基本的,实物粒子是空间如何如何变成的。另一种可能是实物粒子是最基本的,空间是实物粒子如何如何形成的。这样宇宙(或者称为自然界)就统一为一种东西。这个想法是很美妙,也很简单。不过能量守恒定律于这些看法是矛盾的,空间产生了实物粒子,这些实物粒子具有质量,按照相对论的思想将带有能量,这个意味着凭空产生了能量。实物粒子转化成空间,所带的能量将凭空消失,这两种情况都违反了能量守恒定律。

统一场论更加不支持这种看法的,我们好不容易得来的统一场论还是使用一段时间吧,我们暂且就认为宇宙就是有实物粒子和它周围空间构成的。

现在有专门研究宇宙的学科,叫宇宙学。一提到宇宙学,人们马上就想到宇宙大爆炸。

1929年,美国天文学家埃德温·哈勃提出星系的红移量与星系间的距离成正比的哈勃定律,并推导出星系都在互相远离的宇宙膨胀说。哈勃发现,即不管你往哪个方向看,远处的星系正急速地远离我们而去。我们可以设想,宇宙正在不断膨胀。人们推测,在早先某个时间,它们相互之间靠得非常紧密。

宇宙大爆炸理论认为,大约在150亿年前,宇宙是一个致密炽热的奇点,随后发生了一次猛烈大爆炸,逐渐膨胀形成了我们今天看到的宇宙。

西方主要的宗教一直坚持认为宇宙是上帝在过去某个特定时刻创造的,哈勃的发现迎合了这些宗教的想法。不过宗教的看法说穿了也没有啥意思,古代人们认为自己生活在一个基本上平直的大地上,西方宗教就说大地和天空及天空中的星球都是上帝创造的,后来人们认识到地球是圆形的,西方宗教又说地球和天空中的星球都是上帝创造的,现代人们对宇宙了解深入了,西方的宗教又借尸还魂,你大爆炸理论认为宇宙是150亿年前形成于一次爆炸,我就说宇宙是150亿年前由上帝创造的。看来科学象一个大树,宗教象一个缠绕在大树上的青藤,宗教是依赖科学这个大树而生长的。

1950前后,伽莫夫第一个建立了热大爆炸的观念,并发展了哈勃的思想。他们认为这个创生宇宙的大爆炸不象普通的爆炸,普通的爆炸是发生在一个确定的点,然后向四周的空间传播开去的那种爆炸。宇宙大爆炸是一种能够诞生空间的爆炸,爆炸中每一个粒子相对于其它粒子的距离都在扩大。

宇宙大爆炸这种膨胀性质使有的人感到不解。站在地球的角度来看,遥远的星系都在飞快地远离我们而去,但这又不意味着地球就是宇宙的中心。平均而言,宇宙不同地方的膨胀图像都是差不多的。可以说每一点都算是中心,又没有一点绝对是中心。我们只能认为是星球和星球之间的空间在伸长或扩大,而不是星系在空间中运动。

打个比方,我们在一个气球上画许多个点,当我们用力吹气球,气球扩大,这些画的点于点之间的距离都在扩大。我们设想一下,如果月球发生爆炸,炸成许多碎片,向四周飞奔,我们背对着月球,看到月球的碎片离开我们运动,我们向着月球这一面,应该看到月球碎片向我们快速接近。

对于哈勃和伽莫夫提出的宇宙大爆炸,事实上应该理解是空间本身的暴涨,或者说大爆炸产生了空间。 空间自己可以伸长看上去似乎离奇古怪,不过广义相对论认为,引力实际上是空间(严格地说是时空)弯曲或变形的一种表现,从某种意义上来说空间可以按某种方式弯曲或伸长,广义相对论支持宇宙大爆炸理论。 统一场论是否支持宇宙大爆炸理论呢?

统一场论表面上支持宇宙大爆炸理论,实际彻底否定了宇宙大爆炸理论。

整个统一场论本质上就是描述空间如何运动变化的,你宇宙大爆炸理论认为空间本身在伸长,这个统一场论支持了这种看法。不过,统一场论认为,空间的运动变化是空间本身具有的性质,它不完全是物质粒子运动所造成的,空间的运动变化按照统一场论的思想说白了就是一种相对运动。

我们坐在一辆飞奔的汽车里,看到后面的景物快速离开我们,统一场论认为宇宙中别的星球离开我们也是这种原因。前面的螺旋时空方程告诉我们,如果一个观察者处于空间中,它周围空间都以螺旋式波动运动,这其中含有个一光速离开观察者的运动。把这种看法带到现实世界中,似乎又产生了矛盾。

站在地球上的人看到月球没有以光速离开我们运动,其实这个很好解释,地球和月球都以一个相同的穿越空间的光速运动。我们的目光跳出太阳系,也没有看到哪一个恒星以光速离开我们运动,这个可以这样解释,前面的螺旋时空方程是有一个前提条件的,那就是描述我们观察者是静止的,他看到了周围空间是如何相对于我们观察者运动的,一旦观察者运动起来,比如转动起来,它周围空间的运动可不是这个样子。观察者将看到周围空间运动又是另外一个景象,本来看到空间有一个以光速离开我们观察者的运动,这会儿可就不是以光速在运动,如果观察者的运动更复杂些,所看到的景象可就更是不同。

对于相对运动,人们常产生一种误解,我们坐在一辆飞奔的汽车里,看到后面的景物快速离开我们,那前面的景物应该快速的接近我们,同样道理,我们看到别的星球快速的离开我们,在我们的反面将看到星球快速的接近我们,为什么现实不是这种情况?

前面的垂直原理告诉我们,运动是由垂直原理支配的,在地球上某个地方,比如是中国,我们观察者看到周围空间是三维垂直的,那空间就要运动变化,并且运动的方式是由螺旋式波动时空方程描述的。空间在离开我们运动,对于其反方向和我们中国对称的地方巴西国家,观察者也看到空间在运动,这个空间运动的原因和在中国的情况是一样的,当然也是离开观察者向外运动。

在中国看到一个苹果掉在地球上,我们认为是相对运动所造成的,说白了就是地球撞上了苹果,可是有的人马上就说如果这个看法成立,和我们对称的巴西国家地面上有一个苹果将飞向空中。这种看法实际上有个前提条件就是:空间是静止的、不动的,就像一个风平浪静的海洋,地球、月球、太阳、星星----就像鱼儿一样在空间海洋中运动,一切运动都是相对于这个空间海洋的。

然而相对论认为没有绝对静止的状态,统一场论更直截了当地认为空间本身是时刻运动变化的,以上的前提条件是不存在的。

统一场论认为,我们观察者无论处于哪一处空间中,都看到空间是相对于我们快速的离开,处于空间中的星球也将随着空间快速的离开我们观察者,这个原因是空间本身具有的性质,是垂直原理决定的,并不是什么大爆炸产生了空间。

那么如何去检验这两种看法的那一种是正确的?

如果大爆炸的理论是正确的,肯定有个周期,在若干亿年后,空间就会收缩,我们将看到远处的星球个个向我们靠近,这个要等上几十亿甚至是上百亿年才能够知道答案,看来这个方法我们还是免了吧。

按照统一场论的思想,宇宙没有开始没有结束。这样看来,远处的星球远离我们运动,可能只是一个运动的假象。水面上的波纹看起来在向前运动,实际上只是运动的形式在前进,水分子根本就没有前进。在体育场看球赛的球迷,经常搞的人浪,就是几个球迷突然从座位上站起来,然后坐下来,相邻的球迷接着重复这个动作,这样使这种运动形式像水波传播开来。

统一场论认为,自然界一切(包括空间)都是在以螺旋式运动,我们观察者在空间中以螺旋式运动,我们自然看到远处的景物都在远离我们运动。天文学家发现,距离越远的景物,离开我们的速度就越大,这个可以这样理解,我们观察者在旋转运动,离我们越远的物体,我们看到的运动速度就更大。

如果远处的星球都是真实的在相互离开,彼此的距离在真实的扩大,统一场论那一种宇宙没有开始没有结束的看法可能是站不住脚的。

也可能有一种折中的看法,宇宙大爆炸可能只是发生在宇宙空间的局部,在宇宙时间段也是局部的,也就是那么一段时间段,而不是整个宇宙从大爆炸开始产生的,简单的讲,哈勃描述的大爆炸发生在宇宙中某个时间段、某个局部空间范围内。


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