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童年十万个为什么:宇宙是什么样子的呢?去到宇宙的边缘会怎样?

儿时总是对世界充满了好奇,因此很多的问号会缭绕在我们有限的小脑袋里,我们会去问,去想,但是有些问题也许直到我们成年以后依然没有找到答案……小时候在你的小脑袋里,有过什么样的问号呢?

宇宙是什么样子的?宇宙边缘吗?当我走到宇宙的边缘会怎么样呢?

在我小的时候,总是有一连串关于宇宙的问题:宇宙是什么样子的?宇宙有边缘吗?当我走到宇宙的边缘会怎么样呢?会掉下去吗?掉到哪里去呢?我一直以为这个问题我永远也找不到答案,因为人类太有限了,我们不可能走到宇宙的边缘去看一看。

由于我是一个典型的“问题儿童”,经常问很多很多关于宇宙的问题,所以在我小时候,爸爸给我买了一套《十万个为什么》,但是我并没有在里面找到问题的答案,直到长大一点,我才在科普书里找到了答案。所以这篇文章,我想写给跟我一样有过这样问题的小朋友,我尽可能用小朋友能明白的方式写下来。如果你家里或身边朋友家里有小朋友,可以把这篇文章转发给他们看。(^_^)

空间形状之谜:平直还是弯曲?

小朋友一定觉得奇怪,空间怎么会是弯曲的呢?从古至今,所有人都没有怀疑过空间是平的,甚至他们都不认为空间会有形状。伟大的科学家牛顿也是在空间是平的基础上提出他的万有引力理论。

但是在上世纪初,有一个初出茅庐的博士生提出了时间和空间是纠缠在一起互不可分的,称之为时空,这个理论称为狭义相对论,这位博士生就是爱因斯坦。他凭这个伟大的理论成为一位年轻的科学家,并进入大学成为一位大学教授。十年后,爱因斯坦再次提出一个颠覆人类认知的科学理论――广义相对论,提出时空会被周围的物体“压”弯。

爱因斯坦说,地球围绕太阳转并不是因为太阳用万有引力把地球拉住绕圈圈,而是地球在太阳“压”弯了的时空里勇往直前地绕圈圈。简单地说就是地球原本走的是直线,但太阳的质量使地球所走的直线变弯了,弯成了一个圆圈,地球就沿着“直线”在这个圆圈里转了。

宇宙的形状――有限无边的超球面

聪明的爱因斯坦发现了空间会弯曲以后,他马上想到了我们的宇宙,他想,如果整个宇宙时空都是弯的,它最终不就首尾相接成为一个“圈”了吗?

当然爱因斯坦所想到的宇宙形状并不是一个圆圈,因为我们的宇宙并不是一条线,而是一个弯曲的立体!现在要大家发挥想象力来理解爱因斯坦的弯曲宇宙了。

一维的直线空间:一条直线只有2个方向,即前、后。

二维的平面空间:一个平面有4个(互相垂直)方向,即前、后、左、右。

三维的立体空间:一个立体有6个(互相垂直)方向,即前、后、左、右、上、下。

当一维的直线弯了以后,会变成一个圆圈。

当二维的平面弯曲了以后,会变成什么呢?聪明的小朋友可能会猜到了,会变成一个球面。

那么当三维的立体弯曲以后呢?爱因斯坦说它会变成一个超球面,就是一个四维的“超级球”的表面。而我们的宇宙正是这样一个弯曲的超球面宇宙。

有限无边的宇宙

虽然空间弯曲已经被光线弯曲间接地证实了,但是其实我们无法想象弯曲的空间是什么样的,不但我们想象不出,连天才爱因斯坦也承认说自己想象不出,这是因为我们没有三维空间弯曲的经验,也就是说我们没看见过,就像我们想象不出我们没见过的颜色一样,我们也没有人能想象出弯曲的超球面宇宙是什么样的。

虽然想象不出,但科学家能描绘它的一些特点,第一个很重要的特点就是――有限。我们从前面一维的直线弯曲后的样子就知道,它的长度是有限的,直线的长度可以无限长,但当它弯成一个圆圈时,它的圆周长度不可能是无限长的。当我们推广到三维弯曲的超球面宇宙,也就同样知道它的大小是有限的。

但又有第二个重要的特点就是――无边。就是说宇宙虽然大小有限,但它没有边际。从上面的圆圈小朋友很容易就明白,因为我们找不到圆圈的尽头,虽然它长度有限,却没有尽头,你可以在圆圈里永远的向前走下去,永远也到不了尽头,你可能走一圈后又回到了出发的地方。我们的宇宙正是这样,它的大小有限,但当我们向任何一个方向走,却永远也走不到尽头,因此我们永远不会到达宇宙的边缘,因为它并没有边缘。

所以我们现在就知道了问题的答案:

宇宙是什么样子的呢?答案是――宇宙是一个弯曲的超球面。

去到宇宙的边缘会怎么样?答案是――宇宙没有边缘,所以我们永远到不了宇宙的边缘,因为那边缘根本不存在。