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第六节 宇宙的有限和无限 一、中国古代的两种宇宙观 宇宙是有限的还是无限的呢？中国历史上一直持有两种观点。盖天说和浑天说主张空间有限，而宣夜说主张宇宙无限，宣夜说是我国历史上宇宙无限论的思想。最早出现于战国时期，到汉代则已明确提出。 我国古代的哲学思想中，宇宙无限论占有绝对优势。张衡《灵宪》曰：“宇之表无极，宙之端无穷”。《庄子·庚桑楚》曰：“有实而无乎处者，宇也；有长而无剽者，宙也。”都主张宇宙无限。 古代诗文中经常流露出宇宙无限的观点。王勃《藤王阁序》中有云：“天高地迥，觉宇宙之无穷；兴尽悲来，识盈虚之有数”。陈子昂《登幽洲台歌》更有绝句：“前不见古人，后不见来者，念天地之悠悠，独怆然而涕下。” 应该说， 在宇宙无限问题上，中国人所形成的这种深厚的文化心理对于今日宇宙无限论者是有相当大的影响的。 二、宇宙的有限性和无限性不可能证明 在西方哲学史上，康德首次提出，宇宙在时间和空间上有限（正题）与宇宙在时空上无限（反题）这两个命题都可以成立，都可以得到证明，因此，在宇宙的有限无限问题上存在着一个矛盾，一个二律背反。这就是康德著名的“四个二律背反”中的第一个。 正题：世界在时间上有开端，在空间上也有界限。 证明：如果我们假定世界在时间上没有开端，那么在任一给定的时刻，一个永恒已经逝去，事物状态前后相继的一个无穷系列在世界上已经过去。但一个系列的无穷性正在于它不可能通过连续的综合来完成。因此，一个无穷的世界系列已经过去是不可能的，故而世界的开端是世界存在的必要条件。这是需要证明的第一点。 关于第二点，让我们再假定其反面，即，世界是一个并存事物的无穷既定整体。一个量如不是在某种界限之内被直观到，则其大小只能通过对其各部分的综合才可设想，而且，只有通过这样的综合，即，一个单位一个单位的反复添加直至完成，这种量的总体才能被设想。因此，为了设想作为整体的、充满所有空间的世界，对一个无限世界各部分的连续综合就必须被看成已完成了，也就是说，在历数所有并存事物时，一个无穷的时间应被看成已经过去。但这是不可能的。所以，现存事物的无限汇集不能被看成一个给定的整体，也不能被看成同时给定。因此，世界在空间广延上不是无限的，而是有界限的。这是争论的第二点。 反题：世界无开端，也没有空间界限；它在时间和空间上都是无限的。 证明：让我们假定它有一个开端。由于开端是这样的一个存在，在它以前有一个时间事物不存在，所以，必定有一个在前的时间，那时世界不存在，即，必定有一段空的时间。但在一个空的时间中发生事物是不可能的，因为这种时间的每一个部分，与其它部分相比，都不拥有存在而非不存在的特殊条件；而且这不论对事物自已发生还是通过其它原因发生都成立，在世界中，有许多事物的系列的确能够发生，但世界自身不可能有一个开端，因此，世界在过去的时间方面是无限的。 关于第二点，让我们从假定其反面开始，即，世界在空间上是有限且有界的，因而存在于一个无界的空虚空间中。这样，事物就不仅在空间中相互关联，还与空间关联。由于世界是一个绝对总体，它外头将没有直观的对象，因此，就没有世界与之关联的东西，世界与空虚空间的关联将是一种与无对象的关联。但这种关联，从而空虚空间加于世界的界限，是空无。所以世界不可能在空间中有限，也就是说，它在广延方面是无限的。 很明显，康德对此二律背反提出了一个数学和逻辑学的证明。 康德的二律背反羞涩难懂，不好理解。宇宙无论是有限还是无限都是不可能的还有如下更简单的证明。 宇宙是有限的，那么宇宙存在有一个边界。假设边界上有一物体由界内向界外运动，在穿越边界的时候，如果运动不能发生，说明界外另有物体阻碍该物体的运动，如果运动能够发生，物体就会穿越边界，在这两种情况下边界都是不存在的。这就是宇宙是有限性的说法存在逻辑上的问题。或者说，宇宙不可能是有限的。 宇宙是无限的，也就是宇宙是无所不包的。那么，宇宙包不包含宇宙自身呢？如果说宇宙不包含宇宙自身，那就和“宇宙是无所不包的”相矛盾。如果说宇宙包含宇宙自身，包含宇宙自身的实质等同于有一个界面把宇宙包围起来，这又和“宇宙是无所不包的”相矛盾。因此“宇宙是无所不包的”这个说法有逻辑问题，也就是宇宙的无限性的说法存在逻辑上的问题。从而我们无法和宇宙的无限性下一个定义。或者说，宇宙的无限性也是不存在的。 总之，宇宙的有限性和无限性从数学和逻辑学上是不可能证明的。诗人海涅说得好：“宇 宙是有限的，还是无限的？一个白痴才指望有一个答案。” 三、无限性是时空的属性 哥白尼的宇宙边界是太阳系，随着人们观测水平不断地提高，视界在不断地扩大。实际上，望远镜可以越造越大，视野越伸越远，总可以观察到以前没有观察到的空间，自然而然地形成无限无边的宇宙概念。 自伽利略和牛顿之后，人们普遍接受了时空的无限性。特别有了空间坐标系以后，可以很直观地把宇宙的体积看成是无限的，无论沿宇宙空间中任何一点的任何一个方向看过去，都不能找到它的边界，宇宙空间是欧几里德几何中的三维的无边和无限的空间。 无限、无边的观点之所以被普遍承认，除了天文观测事实以外，若承认宇宙是有边界的，或有限无边的，都有会碰到这样一个无法解答的问题：界限的外面又是什么？ 无限、无边的宇宙观和牛顿的无限的时空相吻合。牛顿力学为无限、无边的宇宙观点提供了依据。因为按万有引力的规律，一个有边界的宇宙将不能保持稳定，在边界上的星球将处于特殊位置，星际间的万有引力将把它拉向中心。于是，一个无限无边的宇宙模型又从牛力学找到了根据。 在观测中，宇宙是高度均匀的。物质的物理性质和分布都是均匀的。无限数目的星在体上以均匀的密度分布在宇宙空间中，无论哪个天体，哪处时空和哪个方向都不居于特殊地位，它说明宇宙的结构是如此一致，我们有可能以一种极为简单的方式建立全宇宙的模型。 但是，无限的空间和时间带来了许多佯谬，首先一个佯谬是所谓光度佯谬，它是由德国天文学家奥尔伯斯在1823年提出的，所以也称奥尔伯斯佯谬。它指出，如果太空中均匀地分布着无穷多个恒星，那么这些星光积累起来，宇宙空间里将处处光辉夺目，宇宙中任何一点都将会感受到无穷大的亮度，地球上也没有白天黑夜之分；然而这一推论与事实不符，事实上，我们看到的并不是这样的，黑夜和白天还是很分明，这就构成了光度佯谬。奥尔伯斯本人提出了解释佯谬的一种方法，即星际尘埃遮住了大部分星光，但这一解释是不够的，即使考虑星际消光，因星际物质将被星光加热产生辐射，结果天空仍应是无限亮。这一佯谬其实是人们没有考虑到辐射能可以转变为其它能，如果考虑到辐射能可转变为暗物质的自由能，光度佯谬就不会发生。 1894年德国的另一位天文学家西利格尔指出：如果星球无限多而且均匀分布，那么宇宙中任一有限区域的物质(质量有限)将被区域外的物质(质量总和为无限大)所吸引，有限区域内的物质无法依靠自身的引力收缩成星体；然而实际情况并不是这样。这就是所谓的“引力佯谬”。 在第二章里我们会详细讨论万有引力实质上是两个物体的存在，破坏了暗物质各向同性而产生的。如果考虑到暗物质之间的互相碰撞，暗物质的这种差异不可能保持到无限远。就象水面上航行的船只所激起的浪花不可能伸向无限远处的道理一样。因此，万有引力平方反比律在空间尺度上有一定的适用范围，超出这个范围以后，引力不再是与距离的平方成反比地减小，而是减小得更快一些。在相当遥远的距离外，万有引力实际上已不存在了。很明显，这种万有引力的机制根本不存在“引力佯谬”。 因此，认为宇宙是无限的观点是合理的。尽管人们能测察到的宇宙是有限的，但这种界限一次次被打破，趋于无限。同时，这种有限性并不能否定宇宙是无限的这一逻辑推理，更不能否定客观宇宙就是一个无限宇宙这样一个事实。因为无限的宇宙是存在于主观之外的客观实在，人们无法最终确定，因而宇宙的无限性与人们是否能最终确定无关。 完全可以这样理解：无限性是时空的属性。这种属性是客观存在的和无需证明的。宇宙是属于物理学研究的内容，物理学不等于数学和逻辑学，数学和逻辑学中的宇宙概念不完全是物理学中的宇宙概念。不用考虑数学和逻辑学中的关于宇宙不可能是无限的所谓证明。 四、稳恒宇宙学和大爆炸宇宙学 1、 稳恒宇宙学 稳恒态宇学认为宇宙在时间和空间上都是无限的。它主张宇宙从未有过开始，或者更确切地说，宇宙乃是处于连续的创造过程之中。当宇宙膨胀之时，总密度减少，但密度存在一个下限值，宇宙不会在密度低于此值的情况下存在。当宇宙接近这个下限值时，便会创造出更多的物质来使密度再度升高。因此当宇宙不断地膨胀时，新的物质便连续地在星体中创造出来以填补空隙。新形成的物质就是构成星系的氢。每个新星系团将随着宇宙的不断膨胀而逐渐衰老以致死亡，但又形成新的星系团。新星系形成，老星系死亡，但宇宙的总密度不变。并且总是存在有各种不同年龄的星系。因此，宇宙在任何时期检验都是一样的。尽管个别星系团有所变化，但总体图象是始终如一的。 稳态宇宙学提出以后，曾得到了几方面的支持，其一是大爆炸宇宙学难以解释的星系产生问题，在这里可以顺理成章地得到说明。因为只要在稳态宇宙方程中，物质的产生和宇宙的膨胀不是正好地得到补偿，就可能出现稳恒态附近的起伏解，解中恰好呈现了物质分布的局域不均匀性。在稳态宇宙学中，不出现高温、高密度的初态，避开了难以摆脱的“奇点”困扰。 像一切其它宇宙模型一样，稳态宇宙模型也有一些先天不利的因素。它引出了一个物质不断创生的假设，这是现今物理学无法解释与理解的。此外，近年来的一些观测结果也给它增加了诸多不利的因素，例如对河外射电源计数结果与它的预言数不一致。更重要的是3K宇宙微波背景辐射的发现表明，宇宙的早期确实呈高热状态，稳态宇宙学对3K的解释却是牵强和不自然的。此外，它还不能对现今宇宙中氦元素的形成与丰度做出解释。面对如此多的难题，这一宇宙模型不如大爆炸宇宙那样得到较多的公认。 2、 大爆炸宇宙学 大爆炸宇宙学的观点是在时间和空间上都是一个有限宇宙。大爆炸的整个过程是：在宇宙的早期，存在一温度极高，在１００亿度以上。物质密度也相当大的奇点，整个宇宙体系达到平衡。宇宙间只有中子、质子、电子、光子和中微子等一些基本粒子形态的物质。但是因为整个体系在由于爆炸而不断膨胀，结果温度很快下降。当温度降到１０亿度左右时，中子开始失去自由存在的条件，它要么发生衰变，要么与质子结合成重氢、氦等元素；化学元素就是从这一时期开始形成的。 温度进一步下降到１００万度后，早期形成化学元素的过程结束。宇宙间的物质主要是质子、电子、光子和一些比较轻的原子核。当温度降到几千度时，辐射减退，宇宙间主要是气态物质，气体逐渐凝聚成气云，再进一步形成各种各样的恒星体系，成为我们今天看到的宇宙。 大爆炸模型能统一说明以下几个观测事实： １）、大爆炸理论主张所有恒星都是在温度下降后产生的，因而任何天体的年龄都应比自温度至今天这一段时间为短，即应小于２００亿年。各种天体年龄的测量证明了这一点。 ２）、观测到河外天体有系统性的谱线红移，而且红移与距离大体成正比。如果用多普勒效应来解释，那么红移就是宇宙膨胀的反映。 ３）、在各种不同天体上，氦丰度相当大，而且大都是３０％。用恒星核反应机制不足以说明为什么又如此多的氦。而根据大爆炸理论，早期温度很高，产生氦的效率也很高，则可以说明这一事实。 ４）、根据宇宙膨胀速度以及氦丰度等，可以具体计算宇宙每一历史时期的温度。大爆炸理论的创始人之一伽莫夫曾预言今天的宇宙已经很冷，只有绝对温度几度。１９６５年，果然在微波波段上探测到具有热辐射谱的微波背景辐射，温度大约为３Ｋ。这一结果无论在定性上或者定量上都与大爆炸理论的预言相符。但是，在星系的起源和各向同性分布等方面，大爆炸宇宙学还存在一些未解决的困难问题。 但是，从发展的眼光来看，稳态宇宙模型的一些先天不利的因素，已经变成无比有利的因素。它引出的一个物质不断创生的假设，也就是在星体中产生出氢的假设已经得到观察的证实。 光谱分析令人信服地证明，在早期的恒星、中期的红巨星和晚期的白矮星中氢和氦的质量比总是3：1。而当今恒星的演化理论是氢在不断地消耗，氦和其它元素在不断地增加。年轻的恒星主要是氢聚变为氦，红巨星主要是氦聚变为碳，而在白矮星中氢则几乎耗尽。但观察到的事实是：氢和氦的质量比总是3：1，这充分说明一定有氢生成。因为氢在不断地消耗，只有氢不断地生成来补偿才能维持氢的比例不变。同时氢和氦的质量比总是保持不变也是令人奇怪的。因为既然在红巨星中是氦变为碳，氦的比例应减少才对。但氦的比例又丝毫不少。如果把氢聚变为氦的反应理解成一种可逆反应，即氦也可以裂解为氢。达到动态平衡时氢和氦有一个固定的组成3：1。也就是说，氢占75%氦占25%。25%的氦恰好是宇宙中氦元素的丰度。因此无论恒星怎样演化，恒星中总有氢生成，核反应只有一个——氢聚变为氦。 至于3K宇宙微波背景辐射的发现也有新的解释。在我们的宇宙中存在有一种电磁以太，3K宇宙微波背景辐射正是温度为3K的电磁以太的本底噪声。我们将会在第三章中详细讨论这一问题。 尽管大爆炸宇宙学今天占有主导地位，但它最终一定会让位于稳恒宇宙学。 |