文档介绍：新世纪接班人素质培养
第一章宇宙的秘密
宇宙的边界
夜晚,翘首仰望茫茫星空,就是掌握了一些天文学知识的人,都会自然
而然地提出这样一个问题:宇宙是有限的,还是无限的呢?换成通俗的说法
就是,宇宙有没有尽头呢?
这是一个回答起来十分困难的问题。如果说宇宙是没有尽头的,那么宇
宙中就应该有无限多个恒星,不论你朝天空哪个方向望去,都应该能看到无
限多的恒星。尽管每一颗恒星的光很微弱,但无限的恒星的光芒合起来就会
无限地亮。如果真是这样的话,地球上就不应该有黑夜,背朝太阳那一边也
应该很亮。
如果说宇宙是有尽头的,那么它的外面是什么呢?其实,这样提问题本
身就是荒唐的。既然你问宇宙外边是什么,就等于你已经承认宇宙有边界,
否则怎么会有外面呢?
尽管这个问题难于回答,但因为它是物理学研究领域中的一个极其重要
的宇宙学问题,所以历代科学家都在积极地加以探索,力争对此做出比较合
理的解释来。
在伽里略和牛顿之前,许多人信奉亚里斯多德的观点,认
为宇宙是一个有限的结构,宇宙的最外层是由恒星天体构成的,因此
恒星天体就是宇宙的边界,在它之外,就没有空间了。可以说,哥白尼的“太
阳中心说”就是建立在这种假说的基础上的。
到了牛顿时代,科学家们开始接受无限无边的观点,即认为宇宙的体积
是无限的,也没有空间边界。宇宙空问是一个三维无限的欧几里德多向空间,
即在上下、左右、前后这个方向上,都可以一直走下去,以至延伸到无穷
远。这种无限宇宙的观点在冲破中世纪宗教神学的精神枷锁的斗争中,起过
非常积极的作用,但它跟亚里斯多德的学说一样,都是没有被证明的科学假
说。在牛顿的力学中,每当讨论一个有限的力学体系的运动时,总要假定可
以选取的一个参考系,使引力势(相当于电学中的中势)在无限远处成为常
数。如果接受牛顿的无限宇宙图像,认为物质均匀地分布在整个无限空间之
中,那么,根据牛顿力学又会得到无限远处引力势必不可能为常数的结论,
这就是一个矛盾。如果要保证无限远处引力势必为常数,就要放弃物质均匀
分布在整个无限空间内的假设,并认为物质主要集中在我们周围的有限空
间,那么无限远处虽然是常数,但物质的宇宙却仍然是有限的。因此,牛顿
力学在原则上不能用于描述无限宇宙这一物理体系。
进入世纪后,爱因斯坦提出了“广义相对论”的理论,他认为不应先
验地假定宇宙空间必定是三维无限的欧几里德空间,因为宇宙的空间结构并
不是与宇宙间的物质运动无关的。爱因斯坦给出了第一个宇宙模型,它既不
是亚里斯多德的有限有边体系,也不是牛顿的无限无边的体系,而是一个有
限无边的体系。所谓有限,指的是空间体积有限;所谓无边,指的是这个
三维空间并不是一个更大的三维空间中的一部分,它已经包括了全部空间。
实际上,有限无边的概念并不是在爱因斯坦的宇宙模型中才第一次提到。在
他之前,亚里斯多德就认为大地并不是平坦无边的,而是一个球形的。实质
上,这就是用有限无边的球面结构代替了无限无边的平面结构。
我们可以这样来理解爱因斯坦提出的这个有限无边的世界:假如有一只
小蚂蚁在一只大球上爬行,这个球本身是有限的,但球面根本没有边界,对
于蚂蚁来说又是无限的。我们人类和这只蚂蚁一样,就生活在这样一个有限
而无边的宇宙中。
在爱因斯坦之后,天文学家又提出了新的宇宙模型学说。这种学说认为,
宇宙的空间尺度一直在随着时间而不断增大,也就是说,宇宙正在不断膨胀。
宇宙自从诞生至今,每时每刻都在膨胀,一直没有停止过。我们已经知道,
类星体是离我们最远的星星,最远的类星体大约离开我们有亿光年。这
个范围大致上也就是目前我们观测到的宇宙的大小。这么大的宇宙中总共有
多少个物质呢?有人做过一计算,如果把所有的物质都做成太阳,那么整个
宇宙内就可以有万亿亿个“太阳”,也就是在后面跟个零。
既然宇宙处在不断膨胀的运动中,那么它的边界每时每刻都应该有具体
的位置。从这个意义上说,宇宙应该是有限的。然而,宇宙的边界又在不断
地向外扩展,科学家们还无法推算出它最终将膨胀到什么程度,会不会永远
膨胀下去。从这个意义上讲,宇宙又是无限的。
说到这里,我们不能不这样认为,宇宙中存在着千千万万个谜,而宇宙
本身就是一个最大的谜。
宇宙会一直膨胀下去吗
年,美国天文学家哈勃发现,河外星系普遍存在着红移现象。所谓
红移,就是光谱线变长了,或者频率降低了,如果某种原子原来发射的一条
谱线波长为λθ,那么从河外星系来的这种谱线波长λ总要比λθ大。红移
现象说明,河外星系都在远离我们而去。也就是说,不管你站在宇宙间哪颗
星球上,都会发现所有的星星都在向四面八方飞散。
天文学家经过进一步观察发