如果談到有限無邊的宇宙,首先就要提到Einstein最早主張的這一模型——“有限無邊的靜態宇宙模型”。這是怎麼一回事呢?在Einstein提出宇宙學原理的時候,他頭腦中的宇宙模型是不隨時間變化的,他認為宇宙各向同性,現在和過去大體上一樣,雖然星系和星體在不斷變化,可能在不斷地產生和解體,但從大的尺度(即我們常說的宇觀尺度)上去看,物質的平均密度沒有變化,星系的密度也大體沒有變化,這就是說,他想象中的宇宙,從大的尺度上考慮是靜態的,即不隨時間變化。(不過之後膨脹宇宙模型和脈動宇宙模型得到了更多的實驗支援,Einstein最早給出的這種靜態宇宙模型是不正確的)(我說上面這些是為了說“有限無邊”是怎麼來的,下面就要提到了) Einstein希望可以從他的廣義相對論場方程求解出這個靜態宇宙模型,眾所周知,場方程是由10個二階非線性偏微分方程組成的方程組,用以確定時空度規的10個獨立分量,但是方程組內含4個恆等式(即畢安基恆等式),因此獨立方程的個數是6個,再加入4個與座標系選擇有關的微分方程作為“座標條件”,這樣,獨立的方程仍是10個。10個方程,10個未知數,正好可以求解。但是我們都知道,解微分方程還必須有“初始條件”和“邊界條件”,也就是必須知道所求系統的初始情況和邊界處的情況。當時對於靜態宇宙模型,初始條件好辦,就取現在的宇宙狀態即可(前面說了,Einstein假定宇宙不隨時間變化)。真正麻煩的是邊界條件,宇宙的邊界是什麼?誰也沒見過。如果有人假定宇宙的“邊界”是什麼樣的,立刻就會有人問,這個“邊界”的外面是什麼?算不算宇宙的一部分?在一般人看來,這可真是個難題。如果假定宇宙沒有“邊界”,那麼何有“以外”之說,相應也就沒有“邊界之外”的問題了。 Einstein的思維方式確實了不起。他就想象了一個“有限而無邊”的宇宙。既然沒有邊,當然就不需要邊界條件了。但是,有限怎麼可能無邊呢?在許多人看來,有限就是有邊,無限就是無邊。比如一個桌面,有四條邊,長乘寬就等於面積,大小有限,而且有邊。這是一個二維歐幾里德平面,無限而且無邊,Einstein建議人們想象一個半徑為的球面(比如一個籃球的球面),面積有限,即,假想一個二維的扁片生物在上面爬,永遠也碰不到邊。這個球面就是一個有限無邊的二維空間。Einstein要求大家充分發揮想象力,去想象一個有限無邊的三維宇宙空間。這個三維空間可不是一個實心球,它是四維時空中的一個三維超球面。 在這個有限無邊的宇宙中,時間可以是無頭無尾無止境的,所謂有限無邊指的是三個空間維度。在這樣的空間裡,一艘飛船向北飛去,如果人可以永遠不死的話,總有一天會看到這艘飛船在不做轉彎動作的情況下從南邊飛回來。 最後給一些理論上的東西,題主有興趣可以自己去了解。(這裡就將說明宇宙到底是“有限無邊”還是“無限無邊”其實是很複雜的問題,現在也是研究熱點)
如果談到有限無邊的宇宙,首先就要提到Einstein最早主張的這一模型——“有限無邊的靜態宇宙模型”。這是怎麼一回事呢?在Einstein提出宇宙學原理的時候,他頭腦中的宇宙模型是不隨時間變化的,他認為宇宙各向同性,現在和過去大體上一樣,雖然星系和星體在不斷變化,可能在不斷地產生和解體,但從大的尺度(即我們常說的宇觀尺度)上去看,物質的平均密度沒有變化,星系的密度也大體沒有變化,這就是說,他想象中的宇宙,從大的尺度上考慮是靜態的,即不隨時間變化。(不過之後膨脹宇宙模型和脈動宇宙模型得到了更多的實驗支援,Einstein最早給出的這種靜態宇宙模型是不正確的)(我說上面這些是為了說“有限無邊”是怎麼來的,下面就要提到了) Einstein希望可以從他的廣義相對論場方程求解出這個靜態宇宙模型,眾所周知,場方程是由10個二階非線性偏微分方程組成的方程組,用以確定時空度規的10個獨立分量,但是方程組內含4個恆等式(即畢安基恆等式),因此獨立方程的個數是6個,再加入4個與座標系選擇有關的微分方程作為“座標條件”,這樣,獨立的方程仍是10個。10個方程,10個未知數,正好可以求解。但是我們都知道,解微分方程還必須有“初始條件”和“邊界條件”,也就是必須知道所求系統的初始情況和邊界處的情況。當時對於靜態宇宙模型,初始條件好辦,就取現在的宇宙狀態即可(前面說了,Einstein假定宇宙不隨時間變化)。真正麻煩的是邊界條件,宇宙的邊界是什麼?誰也沒見過。如果有人假定宇宙的“邊界”是什麼樣的,立刻就會有人問,這個“邊界”的外面是什麼?算不算宇宙的一部分?在一般人看來,這可真是個難題。如果假定宇宙沒有“邊界”,那麼何有“以外”之說,相應也就沒有“邊界之外”的問題了。 Einstein的思維方式確實了不起。他就想象了一個“有限而無邊”的宇宙。既然沒有邊,當然就不需要邊界條件了。但是,有限怎麼可能無邊呢?在許多人看來,有限就是有邊,無限就是無邊。比如一個桌面,有四條邊,長乘寬就等於面積,大小有限,而且有邊。這是一個二維歐幾里德平面,無限而且無邊,Einstein建議人們想象一個半徑為的球面(比如一個籃球的球面),面積有限,即,假想一個二維的扁片生物在上面爬,永遠也碰不到邊。這個球面就是一個有限無邊的二維空間。Einstein要求大家充分發揮想象力,去想象一個有限無邊的三維宇宙空間。這個三維空間可不是一個實心球,它是四維時空中的一個三維超球面。 在這個有限無邊的宇宙中,時間可以是無頭無尾無止境的,所謂有限無邊指的是三個空間維度。在這樣的空間裡,一艘飛船向北飛去,如果人可以永遠不死的話,總有一天會看到這艘飛船在不做轉彎動作的情況下從南邊飛回來。 最後給一些理論上的東西,題主有興趣可以自己去了解。(這裡就將說明宇宙到底是“有限無邊”還是“無限無邊”其實是很複雜的問題,現在也是研究熱點)