4-3宇宙的形狀與邊緣

(三)宇宙的形狀與邊緣

1.宇宙的形狀

宇宙的形狀是宇宙學中一個未解決的問題。用數學的語言說就是：「哪一個三維形狀才能最好地代表宇宙的空間結構？」首先，宇宙到底是不是「平坦空間」還未清楚。目前，大部分宇宙學家認為已知宇宙除了大質量天體造成的局部時空褶皺，是基本平坦的。其次，尚未清楚宇宙是否是多重連接。根據大爆炸理論，宇宙是沒有空間邊界的，然而其空間大小可能是有限的。我們可以通過二維的概念類推：一個球面沒有邊界，但是它的面積是有限的，它是一個在三維空間有固定曲率的二維表面。如果宇宙真是有限但無邊界的話，人沿著宇宙中一條任意方向的「直線」走下去，最終會回到出發點，其路線長度可認為是宇宙的「周長」（這個周長是現在人類對宇宙的認識所無法想像的，因為它一定要比我們所見的宇宙部分大得多）。

宇宙有可能具有多重連接的拓撲學結構。如果這些結構足夠小的話，人類，就如同在掛了多面鏡子的房間內，可能在不同方向看到同一天體的多個影像。而實際的天體數量就會比觀測所見少。從這個角度講，星體和星系應該稱作「所觀的影像」才合適。這個可能，至今沒有被徹底否定，但最近的宇宙微波背景輻射研究結果認為是不可能的。

而在其他物理論中，空間的形狀是複雜結構─表面上是平坦、實際上甚至捲曲為十維空間「超幾何體」(詳見第十篇)。空間是否真有固定形狀，目前尚待觀測。(如下左圖)

2.宇宙的類型

(1)開放宇宙─

 宇宙會不斷的擴張，空間無邊界，其擴張速率遠大於臨界速率，故此類宇宙不會有星體的生成。

(2)封閉宇宙─

 宇宙的擴張速率小於臨界速率，故擴張到一定程度後就會開始收縮，也不會導致星體的生成。

(3)臨界宇宙─

 擴張速率和臨界速率差不多，但宇宙會保持緩慢的繼續擴張下去，並會在過程中讓星體產生。

 

 

我們現在的宇宙最神秘的特點之一就是，它現在的擴張方式和臨界宇宙極為接近。由於這兩者實在太接近，以致於科學家仍不敢斷定宇宙到底屬於那一種的類型，也就是說，我們還不能了解我們所處宇宙的最終命運。宇宙學家將這個神祕的巧合，視為我們這個宇宙的一項特殊性質，認為應該找的到很好的解釋。如果宇宙剛開始時的初使速率不是恰好等於臨界速率，那麼隨著宇宙的不斷擴張與老化，就一定會與臨界宇宙的差距越來越大。這就形成了一個大謎：我們的宇宙已經持續擴張了大約有一百三十七億年，竟然還和臨界宇宙如此的接近，以致直到目前為止，我們仍無法確定他的屬性。要能夠有現在的狀態，則宇宙當初的初使速率就必須要選的很好，根據計算，與臨界宇宙相差不超過10^-31。從以上可以發現一件事:只有持續擴張了至少幾十億年，卻仍與臨界宇宙非常接近的宇宙，才有可能組成現在我們的複雜結構。我們其實大可不必為宇宙如此接近臨界宇宙而驚訝，因為我們根本不可能存在於其他任何一種宇宙中。

※虛無的定義: 在此所謂的「虛無」，亦即「空無一切」。在虛無中，沒有時間、也沒有空間，更沒有物質。虛無也並非一片漆黑，因為在虛無的空間中，根本沒有物質、沒有傳播光與色的粒子，因此「虛無」是一個難以想像的定義。假若虛無之中有時空、物質存在，則這仍為宇宙範圍內，而非虛無。

3.宇宙之外

宇宙空間的邊緣以外為何?

我們或許會覺得，宇宙之外一定還有「某個東西」容納不斷膨脹的宇宙；假設我們搭乘一艘永恆燃料的太空船，像宇宙某方向直線航去，是否會遇到一道邊緣，而邊緣外則是一片虛無?

事實上，宇宙並沒有邊緣。你所駕馭的太空船永遠不會遇到空間實質邊界，也永遠不會到達一個點、在那點以外是一片虛無。如果這個虛無也能被定義為空間，那麼它仍是宇宙的一部份，無論是否有物質都一樣。因此，太空船可以永無止盡像宇宙前去，你也不會離開宇宙，頂多只會進入一片沒有任何物質的空間而已。

 

 

※夜空為什麼是黑暗的? 入夜之後，天空黑暗的主因，沒有想像中的那麼簡單。這與宇宙誕生的大霹靂理論有深切的關係，也就是「歐伯斯佯謬」，又稱「夜黑佯謬」或「光度佯謬」。 假如宇宙是穏恆態而無限，而且有無數平均分佈的發光星體，則無論望向天上哪一位置都應該見到一粒星體的表面，星與星之間便不應有黑暗的位置，黑夜時整個天都會是光亮的。更確切的表述是，如果宇宙是穩恆，無限大，時空平直的，其中均勻分布著同樣的發光體，由於發光體的照度與距離的平方成反比，而一定距離上球殼內的發光體數目和距離的平方成正比，這樣就使得距地球距離─全部發光體的照度的積分不收斂，黑夜的天空應當是無限亮的。 因此，兩種作用能對歐伯斯佯謬給予解釋：宇宙年齡有限以及紅移效應。  (1)宇宙的年齡有限─這個解釋指出有限速度的光要遊遍宇宙的空間本身就是矛盾的，當我們遙望遠處的空間，其實就是在回顧歷史。最後，我們仍只能觀察到有限年齡的宇宙。  (2)紅移效應─以有限的宇宙年齡所提供的星光來照耀天空時，導出了另一個問題：為什麼看不見任何一點大霹靂的貢獻？這原因是大霹靂本身的輻射因為宇宙膨脹的緣故，已經紅移到微波的波長，成為宇宙的微波背景輻射。宇宙的膨脹也限制了可觀測宇宙的大小，這意味著在此之外的光線到不了我們所在之處，這在光學效應下創造了有限的宇宙。                   「星星是連續不盡的，然後背景的天空將呈現一致的光亮，就像銀河所顯示的——因為不會有絕對的點，在那所有的背景中，星星將不復存在。因此，在那些，在這樣的事態下，唯一的模式，我們可以體會到我們的望遠鏡在無數的方向上發現空隙，將假設無形的背景，因為距離的遙遠，光芒從未能到達我們。」