僅用簡單思想實驗,就知道宇宙不可能是無限大的

僅用簡單思想實驗,就知道宇宙不可能是無限大的

題外話:《作家萬小刀<方舟子黑化記>一文,兩處內容有錯誤》一文,由於特殊原因,4月18日發表於公眾號「懷疑探索者」。

記得在上小學的時候,老師經常告訴我們說:宇宙是無限大的。而在現代宇宙學建立起來之前,無數的思想家、哲學家,也都是在說,宇宙是浩瀚無邊的,大到根本不可能找到邊界。這樣的論述充斥了諸多的文學作品,一直給我們一種印象,那就是宇宙很大,大到根本不能以數值來衡量。而有些人卻在依靠直覺在猜測:任何一個東西都有邊界,包括宇宙也是,說不定宇宙有一個不為人知的邊界?如果宇宙有這樣的實質邊界,那麼宇宙就不可能是無限大的,而是有限大的。總之,關於宇宙到底是無限大還是有限,一直被爭論不休,大家也都缺乏必要的理論工具,完全是依賴直覺做個人的主觀判斷。
馬頭星雲

但是,在現代宇宙學建立之後,對於這樣的問題已經有了初步的、可靠的、確鑿的答案。這個答案就是:宇宙是有限無邊的集合體。

等等,不是說宇宙是無限大的嗎?很多人對此迷惑不解。其實,我們小時候被灌輸「宇宙是無限大的」說法,這種說法並沒有足夠的科學依據來支撐,只是思想家們的一種猜測,或者是一種想像力。如果我們做一個思想實驗,就可以推翻「宇宙是無限大的」這樣的說法。

比如,如果宇宙空間真的無限大的,那麼宇宙之中就應該擁有無數顆星球,恆星就是一種。假設宇宙有無數數量的恆星的存在,那麼恆星發射出來的光芒也應該是無限的,這樣我們抬頭看夜空,就應該看見一片亮堂堂的景象,而不可能是漆黑的一片。
夜空為什麼總是漆黑的,不是亮如白晝?

我們再往下想,如果宇宙有無限數量的恆星,而恆星由於具有質量,有質量就會產生萬有引力。而萬有引力是沒有力的最長傳播距離限制的,或者說,萬有引力可以光速傳播到無限久遠。那麼,在宇宙空間中,無數數量的恆星或者其他天體,它們之間將經歷一場曠日持久、永不妥協的萬有引力的拔河比賽,這種萬有引力場之間的拔河比賽是此消彼長的,處於一種不斷打破平衡的永久動態之中。這樣的話,任何一個原本處於平衡狀態的天體系統都不可能長期保持「穩定合作關係」。

像太陽系的萬有引力場,原本是大致互相之間保持一個平衡狀態的,太陽居於太陽系的質量中心點的位置,其他太陽系內所有的行星、類地行星、小行星、岩石、粉塵、氣體,都被太陽的萬有引力所牽引,圍繞太陽這顆恆星它做有規律的運動。但是,如果這個有規律的萬有引力場被來自於其他恆星的此消彼長的萬有引力打破,我們的太陽系系統就會非常的混亂,早就不能維繫固有萬有引力場的平衡了。而在一個混亂的區域內,地球也不可能誕生人類這樣的智慧生物。
太陽系中太陽是扛把子,控制著一切

我們再想像一下,地球和月球是一個極其微妙的雙星系統,自古以來,月球就圍繞著地球做一定規律的環繞運動,這種環繞運動大體是穩定的,變化是微小的。如果有較大的變化,月球就會脫離它原有的軌道,要麼墜入地球,要麼遠離地球,最終進入茫茫的太空。可是依據天文學家的觀測,月球每年確實是在遠離地球,但是這種變化的幅度非常細微,簡直可以忽略不計。而月球存在的時間和地球差不多,都有45億年以上歷史,但是過了這麼久,外界傳播過來的萬有引力「拔河賽」,並沒有破壞地球與月球之間的引力平衡。或者說,月球和地球之間的「合作」是長期穩定的,它們之間大體上居於一個長期平衡的狀態,月球並沒有脫離地球的引力控制,從而遁逃入茫茫的太空。
地月系統極其微妙,很容易被打破平衡

以上,就是思想實驗的推理。從推理來看,如果宇宙真的無限大的,那麼宇宙空間處處都會處於一種混亂的、「非合作」、「非長期穩定」的引力場之中,所有的穩定的天體系統都會不復存在,而是混亂不堪。

這也就是說,物理規律不允許宇宙是無限大。所謂的「宇宙是無限大的」說法,僅僅是文學上的一種修辭說法,是一種比喻。我們可以認為,這種比喻象徵著宇宙是「非常大」,所以宇宙之中包含的信息量也是非常大、非常複雜的,大到我們人類窮極一生,都無法徹底去掌握這些龐雜的信息。這樣來看,說「宇宙是無限大的」也沒有太多的錯誤。而愛因斯坦在1915年建立的廣義相對論,則允許宇宙空間是有限大的,而且宇宙空間之中包含著有限的物質和能量。愛因斯坦認為,我們觀察宇宙,不能以過去的那種三維的、靜態的、傳統的直覺來想像,而是要在腦海之中建立一個全新的四維的宇宙模型。在愛因斯坦的宇宙模型之中,物質的質量會扭曲空間,宇宙空間是被有限物質的所扭曲的,從而誕生一個有限空間範疇的類似球形的宇宙。愛因斯坦的這種說法得到了主流科學界的認同。
愛因斯坦與重力場

那麼,如果我們有一天有了超級發達的科技,我們可以用手觸碰這個體積有限大的「球形宇宙」的壁膜時,會經歷什麼呢?宇宙的「有限無邊」的「無邊」,又代表了什麼具體的涵義呢?我下期再聊這個話題。

作者:懷疑探索者