宇宙基本形态的探讨

申书亭 申红瑜

空间为宇、时间为宙，在中国对宇宙最初的定义就是“时空”。随着宇宙学的发展和全世界学术的交流，宇宙的定义已经扩展为“包括空间、时间、物质、信息在内的一切存在的总和。”空间是宇宙一切存在的载体，时间是一切变化的过程，不论宇宙的定义如何扩展，时空问题永远是宇宙学的根本。时空的实质就是宇宙的形态，时空的变化就是宇宙的形态变化。宇宙的形态一直是一个有争议的话题，大体上可以归纳为有限宇宙和无限宇宙之争。

宇宙是否有限最初是哲学话题，现在已经成为物理学的重要课题。有限的宇宙很容易理解，但对无限宇宙的描述却各不相同。

哲学对宇宙无限的定义是：“宇宙在空间上无边无际，在时间上无始无终。”塑造了一个在整体上不变的静态无限宇宙。哲学描述的宇宙是一个无穷大常量。

物理学认为：宇宙的形态，取决于宇宙物质的密度。如果宇宙中物质的平均密度小于临界密度，宇宙就会一直膨胀下去，称为“开”宇宙；要是物质的平均密度大于临界密度，膨胀过程迟早会停下来，并随之出现收缩，称为“闭”宇宙。 目前无法确定宇宙物质的临界密度。

数学和宇宙是否有限虽然没有直接的关系，但数学对“无穷大”的研究，对“无穷大”的存在状态提供了充分的理论依据。数学研究表明：无穷大变量没有极限，没有最大的绝对值，因此不存在“无穷大常量”。无穷大表现为一种过程，而不是结果。无穷大是一种没有结果的特殊性态。

哲学家眼中的宏观宇宙是静态的，物理学家眼中的宏观宇宙是动态的，两者只能有一个是正确的。

哲学的结论来源于抽象的理论假说，没有科学证据。哲学描述的宇宙实质上是一个无穷大常量。数学研究“不存在‘无穷大常量’的结论”和物理实验得出的“物质可灭”的事实，从根本上否定了稳态无限宇宙的假说。轮廓边界是所有几何体积的固有特性，不可改变。一条有形的直线在无限的延伸中它的端点是无法消失的；一个有形的几何体积在无限的膨胀中，它的轮廓边界是无法消失的。可见无边无际、无始无终本身就是在任何情况下，用任何方法都无法实现的一种抽象境界。理论上都无法达到的境界，现实中自然无法存在。无边无际，无始无终不过是言过其实的形容词罢了。

物理学的结论来源于天文观察和科学实验，有充分的理论依据。物理学描述的“开”宇宙表现为数学上描述的无穷大函数，“闭”宇宙表现为数学上描述的有极限函数。 数学的研究结论进一步肯定了物理学的研究结果。物理学对“开”“闭”宇宙描述的方法不仅适用于宇宙空间的局部膨胀，而且适用于宇宙的整体膨胀。有从无中生，有向无中灭，这是大自然的客观规律，没有任何事物可以违背这一规律，宇宙同样不会例外。宇宙是具体存在，宇宙之外必然是不存在。因此说，宇宙的背景是无，宇宙的基础是无，宇宙从无中而生，宇宙向无中而灭。有和无虽然可以互相转化，但这种转化是有条件的，是自然规律的客观反应。这一问题远远超出了哲学的范畴，必须由物理学来解答。

假设宇宙是无限的，必定是物理学描述的“开”宇宙。不论是“开”宇宙，还是“闭”宇宙，都可以这样描述：以宇宙膨胀初始为时间起点，空间任意一点，在任意方向相对于宇宙的边界，其直线距离为：

                     L=vt+a

L是任意一点到边界的距离，v是宇宙膨胀的速度，t是宇宙膨胀的时间，a是宇宙膨胀前边界和空间点的距离。

设函数为无穷大函数。宇宙达到无限的条件是：第一、速度v达到无限，显然是不可能的。第二、时间趋向于无限，随时间变化而变化。很明显时间变化的范围只能是从宇宙膨胀的开始到今天，宇宙的时空变化只能定格在今天这个特定时刻，是无法超越时间变化的限制直接趋向于无穷大到达未来。因此，时间t是有限的，L只能是有限的。不论是“开”宇宙，还是“闭”宇宙，不论宇宙的将来是无限还是有限，都是非常遥远的事情，在今天很难判定。一个确切的事实是：今天的宇宙仍然没有达到无限。

今天的宇宙体积是有限的结论，对于宇宙学来说，至关重要！

在有限的宇宙中，物质之间的引力作用相互叠加，就产生物质收缩的向心力。最初的物质是聚集在一起的，这一点毋容置疑，因为只有力的作用才能改变物质运动的状态。现在的宇宙物质均匀分散，说明物质除了具有引力作用外，还存在一种膨胀力，膨胀力在克服引力做功。膨胀力是惯性力，因此说明物质曾经受到过第一推动力。是什么力量可以产生如此巨大的效果，推动所有物质产生膨胀呢？除了宇宙大爆炸别无其它解释。这一理论证明宇宙大爆炸是整体意义上的大爆炸。

宇宙大爆炸一词本来是宇宙大暴涨一词的贬义词。但是，巨大的能量在突然间以极限速度释放，推动整个宇宙极速膨胀，本来就是爆炸。把宇宙大暴涨称为大爆炸反而觉得更准确 。越来越多的人相信宇宙起源于大爆炸，这是因为：

第一、宇宙膨胀说从动力学原理证实了宇宙膨胀的动力产生于大爆炸。

第二、宇宙三维空间是均匀各向同性的现象符合大爆炸产生的效果，解释了物质在引力作用下没有产生向中心聚集的原因。

第三、宇宙微波背景辐射进一步证实了宇宙射线的存在和射线运动导致空间膨胀的不可阻挡性。

事实证明，说宇宙产生于大爆炸是比较准确的。宇宙的形成、发展、变化应当是一个循序渐进的过程。有关大爆炸理论说：一声爆炸，火光一闪，从无到有，三分钟生成宇宙，显然没有说服力。宇宙应当起源于星星之火，在不断的“膨胀——收缩”的循环中，周而复始，每完成一次“膨胀——收缩”就会产生一次变化。从萌芽状态，逐步成长为今天的宇宙。当宇宙成长到极限时，就会进入衰落阶段，最后灭亡。本次大爆炸不过是无数次大爆炸中的一次。因此说，在本次大爆炸中，物质不是从无到有，只是有所变化而已。宇宙在膨胀这一事实是无法否认的。如果以膨胀的速度反推回去，宇宙中所有物质必将聚集在一起。因此，宇宙不但存在一个中心，而且存在一个绝对静止点。最初聚在一起的物质必然是整个宇宙物质的总和。最初的物质和今天的宇宙相比，只是物质的形态和分布的不同。从物质的高度集中，到今天宇宙三维空间物质的均匀分散；从物质的原始形态，到今天宇宙物质的丰富多样，充分说明粒子的膨胀、裂变、聚变反应是宇宙形成的必然过程。在爆炸中四种作用力相互作用共同产生了爆炸效果。粒子的快速膨胀、裂变和聚变反应产生的强相互作用力，形成宇宙空间膨胀和所有物质向外扩散的主要动力。爆炸中释放出的一部分粒子组成的粒子流，形成宇宙射线。以光速向外运动的宇宙射线迫使宇宙空间以光速向各个方向迅速均匀膨胀，形成宇宙空间。在宇宙大爆炸时，爆炸力是克服引力做功。宇宙射线不受引力的作用，所以宇宙射线以不变的光速辐射。不受任何外力干涉均匀膨胀的结果，必然使宇宙空间的形状呈球形或近似球形。物质受引力作用做减速运动，两者的运动速度是不一样的，而且相差非常大。 

宇宙产生于大爆炸是不可否认的事实，可以从理论和实际两方面得到证实。之所以说大爆炸理论是假说，是因为大爆炸理论还不能准确解释宇宙最初是怎样开始和产生的，宇宙大爆炸的过程和机制仍然没有得到完全的证实。抛开宇宙形成的复杂过程，单从宇宙的基本形状和运动的规律来说，宇宙空间的形状应当是宏观意义上的球形或近似于球形。宇宙空间运动的速度应当是宇宙射线运动速度，等于光速。这两点是可以肯定的。