1917年,爱因斯组发表了广义相对论,以广义相对论作为基石,他建立了一个字宙模型。这样的一个学说强烈冲击了传统的思维观念,模型指出,宁宙作为一个三维空间不受时间的影响,有限却无边际。对于一个长方形的桌面来说,只要长和宽不变那么大小也是一定的。它受限于四条边,构成了一个有着界限的二堆空间。
受半径 r限制,球的表面积一定,但和桌面不同,球面是没有边的,构成了一个设有边界的二维球面。鉴于爱因斯坦提出的原理,三维空间是平均且每个方向同性,其曲率一定是一个常数。在三维空间里,各个点具有一样的弯曲程度。四个维度的时空在物质的作用下是弯曲的,同样地三维空间也应该是弯曲的。
爱因斯坦进一步提出,宇宙是一种基于二维球面的三维超球面。它是有限的,但是没有界限。在三维超球面中生存的生物(比如说,有着边界的人类)也是无论如何都没有边界的,三维空间平均且每个方向一样的性质不受时间影响。爱因斯坦据此认为,我们的宇宙可能是静止不动的,因为这种情况最简单最易于解释。在静态宇宙假想的基础上,爱因斯坦尝试着为广义相对论的场方程求出答案。求解这个方程必须先了解最开始的条件(宇宙最早的状态)和边缘条件(宇宙边界处的状态),这些条件非常复杂。
爱因斯坦为了消除边界条件的限制,他首先假设宇宙是有限制但没有边界的,接着为了克服初始条件的限制,爱因斯坦又假设宇宙是静止不动的,由于三维空间均匀各向同性中必须保证的对称性质,要为场方程求解就容易多了,但仍不能求出答案。经过不懈探索,爱因斯坦总算了解了得不出答案的理由:在高速情境下,万有引力定律可以标生出广义相对论,里面只包括“吸引效应”,不包括“排斥效应”。但是宇宙的静态同时需要具备吸引效应和排斥效应,而且要处于平衡状态。所以要想证明宇宙是静态的,不可能仅仅依靠广义相对论场方程。所以爱因斯坦对方程式进行了修改,在其中新添了一个“排斥项”,也就是宇宙项。
通过不懈努力和尝试,爱因斯坦最终得出了一个静止不动的、平均且每个方向同性的、有限但没有边界的宇宙模型。毫无疑问,假如我们的宇宙符合三维空间平均且各个方向同性的原理,那么它必须是没有边际的,而有限性却不能完全确定,有三种可能的情况:假如有一个正曲率的三维空间,那么这个空间里的宇宙是有限无边的。这样的宇宙不是静态而是动态的,并且它随着时间而不如果有一个无限小的奇点作为宇宙破裂、进发的开始,宇宙由于膨胀而变冷,组成物体的浓度、时间和空间的弯曲程度都慢慢减弱。当宇宙体积到达最大之后,它的范围将开始减小。到最后,宇宙全部会变为一个新奇点。在这个新奇点的基础上,宇宙又酝酿着下一次的迸发。所以,这样的宇宙是动态的、没有限制没有边界的。
一个没有曲率的宇宙是一个稳定的三维空间(时间空间是不平直的,宇宙中有物质存在),其体积最初就是无穷大的,在刚开始的时候,这个无穷大的三维大小是一个奇异的无穷大的奇点,爆炸后,这个无穷大的中点逐渐变大,但是它的冷热、浓度以及弯曲程度都开始减小。这个过程是水恒的,没有终点。所以这样的字宙是没有限制设有边界的。我们通过观察检测存在于宇宙的物体的总体浓度,可以评价宇宙的有限性,还有个判断标准是减速因子。
有了这两项标准好像就可以了解字宙的类型了。通过观测字宙物质的平均速度,我们得出的结论是,宇宙是不断胀大而且是设有界限的!但是降速因素的观测却得出令人震惊的结论:我们的宇宙是膨胀和收缩两种活动交替进行的,这样的宇宙没有边界,但却是有限的。
有些人认为我们将某些暗物质排除出了宇宙,他们认为降速因素的测量更可靠。还有一些人则抱有截然不同的观念。目前可以确定的是,我们的宇宙是无边的,且处于膨胀状态中,至于有限性,我们无从得知。不幸的是,我们都没有大得足够看见宇宙的边(假设这个边存在的话);人类的生命太短暂,不能看到宇宙第一次爆炸的宏伟场景。但是如果我们足够大,活得足够久,是否又要面对新的挑战了呢?
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