什麼是有限而無邊的宇宙,為什麼說宇宙有限而無邊?

2021-03-19 18:22:09 字數 4876 閱讀 4409

1樓:易書科技

愛因斯坦發表廣義相對論後,考慮到萬有引力比電磁力弱得多,不可能在分子、原子、原子核等研究中產生重要的影響,因而他把注意力放在了天體物理上。他認為,宇宙才是廣義相對論大有用武之地的領域。

愛因斯坦2023年發表廣義相對論,2023年就提出一個建立在廣義相對論基礎上的宇宙模型。這是一個人們完全意想不到的模型。在這個模型中,宇宙的三維空間是有限無邊的,而且不隨時間變化。

以往人們認為,有限就是有邊,無限就是無邊。愛因斯坦把有限和有邊這兩個概念區分開來。

一個長方形的桌面,有確定的長和寬,也有確定的面積,因而大小是有限的。同時它有明顯的四條邊,因此是有邊的。如果有一個小甲蟲在它上面爬,無論朝哪個方向爬,都會很快到達桌面的邊緣。

所以桌面是有限有邊的二維空間。如果桌面向四面八方無限伸展,成為歐氏幾何中的平面,那麼,這個歐氏平面是無限無邊的二維空間。

我們再看一個籃球的表面,如果籃球的半徑為r,那麼球面的面積是47πr3,大小是有限的。但是,這個二維球面是無邊的。假如有一個小甲蟲在它上面爬,永遠也不會走到盡頭。

所以,籃球面是一個有限無邊的二維空間。按照宇宙學原理,在宇觀尺度上,三維空間是均勻各向同性的。愛因斯坦認為,這樣的三維空間必定是常曲率空間,也就是說空間各點的彎曲程度應該相同,即應該有相同的曲率。

由於有物質存在,四維時空應該是彎曲的。三維空間也應是彎的而不應是平的。愛因斯坦覺得,這樣的宇宙很可能是三維超球面。

三維超球面不是通常的球體,而是二維球面的推廣。通常的球體是有限有邊的,體積是3/4πr3,它的邊就是二維球面。三維超球面是有限無邊的,生活在其中的三維生物(例如我們人類就是有長、寬、高的三維生物),無論朝哪個方向前進均碰不到邊。

假如它一直朝北走,最終會從南邊走回來。

宇宙學原理還認為,三維空間的均勻各向同性是在任何時刻都保持的。愛因斯坦覺得其中最簡單的情況就是靜態宇宙,也就是說,不隨時間變化的宇宙。這樣的宇宙只要在某一時刻均勻各向同性,就永遠保持均勻各向同性。

愛因斯坦試圖在三維空間均勻各向同性、且不隨時間變化的假定下,求解廣義相對論的場方程。場方程非常複雜,而且需要知道初始條件(宇宙最初的情況)和邊界條件(宇宙邊緣處的情況)才能求解。本來,解這樣的方程是十分困難的事情,但是愛因斯坦非常聰明,他設想宇宙是有限無邊的,沒有邊自然就不需要邊界條件。

他又設想宇宙是靜態的,現在和過去都一樣,初始條件也就不需要了。再加上對稱性的限制(要求三維空間均勻各向同性),場方程就變得好解多了。但還是得不出結果。

反覆思考後,愛因斯坦終於明白了求不出解的原因:廣義相對論可以看作萬有引力定律的推廣,只包含「吸引效應」不包含「排斥效應」。而維持一個不隨時間變化的宇宙,必須有排斥效應與吸引效應相平衡才行。

這就是說,從廣義相對論場方程不可能得出「靜態」宇宙。要想得出靜態宇宙,必須修改場方程。於是他在方程中增加了一個「排斥項」,叫做宇宙項。

這樣,愛因斯坦終於計算出了一個靜態的、均勻各向同性的、有限無邊的宇宙模型。一時間大家非常興奮,科學終於告訴我們,宇宙是不隨時間變化的、是有限無邊的。看來,關於宇宙有限還是無限的爭論似乎可以畫上一個句號了。

為什麼說宇宙有限而無邊?

2樓:夔恰子

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)

3樓:樂樂1999的老巢

在宇宙中航行,應該瞭解宇宙的空間是有限的還是無限的,能否航行到宇宙的邊緣。實際上這就是宇宙的形狀問題。

既然宇宙是在大**中誕生的,那麼,它的體積一定是有限的,因為光速雖然很快,但它仍然是有限的,光從大**開始那一刻開始向四周傳播,迄今只能達到一個有限的距離。

既然光是向四周球形傳播的,那麼,宇宙很可能是球形的。

如果宇宙是球形的,那麼,它就是有限無邊的。「有限無邊」,這是許多科學家認為的宇宙的可能形狀。

我們可用地球表面來理解「有限無邊」的含義。地球的表面積當然是有限的,這通過地球半徑的長度資料,很容易就可計算出來。但是,地球表面又是沒有邊緣的,我們從地球表面上的任何一點向任何方向前進,在回到出發點的整個過程中,沒有發現地球有任何邊緣。

我國古人將海南島的天涯海角稱之為大地的邊緣,其實那只是陸地與海洋的分界線。如果到了那裡以後,改乘船隻繼續沿原來的方向前進,仍然可以回到出發地。

宇宙的「有限無邊」與此同理,只不過地球表面是二維平面,宇宙是三維空間而已。在一個球體的內部,不管從哪一點向哪個方向前進,理論上也可以回到原來的出發點。

符合「有限無邊」條件的形狀,並不只有球形一種,輪胎形和克萊因瓶形也符合「有限無邊」的條件。宇宙到底是什麼形狀的,需要科學家努力從理論上去揭示。

不過,「不識廬山真面目,只緣身在此山中」,人類永遠無法用直接觀測的方法將宇宙的形狀「盡收眼底」。人類在衝出地球大氣層進行航天活動時,回望地球,可以真真切切地證實地球是球形的。但對宇宙卻不能,因為我們的時空不能延伸到我們的宇宙之外,我們永遠不能跳到我們的宇宙之外去**我們的宇宙是什麼樣子的。

好在對宇宙航行來說,我們瞭解我們的宇宙是「有限無邊」的就足夠了。

4樓:匿名使用者

因為宇宙大到無法想象地步的啊!人類地球地球還沒有研究透徹,太空人類只能登陸過月亮。地球和月亮在浩瀚的宇宙裡,只能算是平時看到塵埃的感覺吧!

宇宙恆星或者行星之間距離遠的話要用光年代替的,而且距離地球超遠星體達到上萬光年。宇宙在人類眼中根本就是個概念。

5樓:楓耶月

如果按照當前的理論來看,宇宙的質量是有數的,所以是有限的。而宇宙又是不斷膨脹的,目前來看還遠沒有停下來的意思,所以就可以認為是無邊,而人類即便再發展個數十萬年,按照現在十年二十年先進一代的速度來看,想要探查到宇宙的邊還是遠不可能。

廣義的宇宙不只是宇宙本身,還有所處的這個三維世界的空間。你可以換種方式想想,我們這個宇宙的邊界外邊仍然是一望無際的虛空,所以宇宙即便**了這麼多年,仍然碰不到真正宇宙虛空的邊緣!

6樓:曾經

有限嗎?不覺著,只是自我感受罷了吧,人類地球地球還沒有研究透徹,太空人類只能登陸過月亮。地球和月亮在浩瀚的宇宙裡,只能算是平時看到塵埃的感覺吧!

宇宙恆星或者行星之間距離遠的話要用光年代替的,而且距離地球超遠星體達到上萬光年。宇宙在人類眼中根本就是個概念。 因為宇宙大到無法想象地步的啊!

人類地球地球還沒有研究透徹,太空人類只能登陸過月亮。地球和月亮在浩瀚的宇宙裡,只能算是平時看到塵埃的感覺吧!宇宙恆星或者行星之間距離遠的話要用光年代替的,而且距離地球超遠星體達到上萬光年,宇宙不是我們想想就能知道。

7樓:

其實就是沒有邊際,所謂的有限是從理論來說,無邊是實際的情況,因為找不到盡頭,那麼就是無邊了,總之就是宇宙很大。

8樓:匿名使用者

人類的現有認知,特別是時間、速度、路程(位移)的概念,在很小的範圍內有用,在大的尺度上是錯誤的,因此,人對於宇宙的認識是基於錯誤的概念之上的認識,人類必須突破現有的觀念,才能真正認識宇宙。

9樓:就你這你

宇宙大到無邊無沿,永遠看不到邊際。有數不盡的星球體,所以距離只能按光年算,因為太遙遠了。地球只是九牛一毛都算不上,而且宇宙外還有無數個宇宙,無數個宇宙外還會有無數個類似地球的星體,有限只是代表一個宇宙的形體而已,實際宇宙是無限無邊的。

宇宙大到無邊無沿,永遠看不到邊際。有數不盡的星球體,所以距離只能按光年算,因為太遙遠了。地球只是九牛一毛都算不上,而且宇宙外還有無數個宇宙,無數個宇宙外還會有無數個類似地球的星體,有限只是代表一個宇宙的形體而已,實際宇宙是無限無邊的。

為什麼宇宙無邊無際,宇宙有多大,為什麼無邊無際?

宇宙很可能是有限無邊的。邊緣 很可能是一個有著很大的力,足以使任何的物質在靠近它時,都會受到一個斥力,從而使該物體發聲 絕對 運動方向發生改變,但是其實它的相對運動方向並沒有改變,因為這個斥力影響著整個宇宙。我們可以理解成,有一個人在地球上有一個很大功率的望遠鏡朝某一方向望去,很可能在某年後會在該鏡...

什麼是宇宙黑洞? 5,宇宙中的黑洞是什麼?

簡單來說,就是一個體積無限小,質量,密度無限大,且不斷向中心坍塌,有超強引力的東東,它連光都可以捕獲 因此沒有光發出,就叫黑洞了 貌似不一定全黑,應該有射線,如果那叫光的話 複製黨,不注出處的,我什麼都不想說。伱見過什麼黑洞?哼!宇宙中的黑洞是什麼?黑洞的形成 跟白矮星和中子星一樣,黑洞很可能也是由...

宇宙外面是什麼,宇宙外面是否是宇宙的集結處,而我們所在的宇宙是否像行星運轉

宇宙之外通常被很多人理解成 一片黑暗 什麼都沒有 最普遍的就是 虛無 而有很多專家認為也許有許多別的大 也許是無數次大 分佈在無窮無盡的虛無之中,這就是原因之一 我們之所以存在於這個特定的宇宙是因為它適合我們存在。每個大 產生的宇宙都有不同的特性,不同的組合。把奇點看成是一個懸在漆黑無邊的 虛空 中...