童年十萬個為什麼:宇宙是什麼樣子的呢?去到宇宙的邊…


童年十萬個為什麼:宇宙是什麼樣子的呢?去到宇宙的邊緣會怎樣?的頭圖

童年十萬個為什麼:宇宙是什麼樣子的呢?去到宇宙的邊緣會怎樣?

兒時總是對世界充滿了好奇,因此很多的問號會繚繞在我們有限的小腦袋裡,我們會去問,去想,但是有些問題也許直到我們成年以後依然沒有找到答案……小時候在你的小腦袋裡,有過什麼樣的問號呢?

宇宙是什麼樣子的?宇宙有邊緣嗎?當我走到宇宙的邊緣會怎麼樣呢?

在我小的時候,總是有一連串關於宇宙的問題:宇宙是什麼樣子的?宇宙有邊緣嗎?當我走到宇宙的邊緣會怎麼樣呢?會掉下去嗎?掉到哪裡去呢?我一直以為這個問題我永遠也找不到答案,因為人類太有限了,我們不可能走到宇宙的邊緣去看一看。

由於我是一個典型的“問題兒童”,經常問很多很多關於宇宙的問題,所以在我小時候,爸爸給我買了一套《十萬個為什麼》,但是我並沒有在裡面找到問題的答案,直到長大一點,我才在科普書裡找到了答案。所以這篇文章,我想寫給跟我一樣有過這樣問題的小朋友,我盡可能用小朋友能明白的方式寫下來。如果你家里或身邊朋友家裡有小朋友,可以把這篇文章轉發給他們看。 (^_^)

空間形狀之謎:平直還是彎曲?

小朋友一定覺得奇怪,空間怎麼會是彎曲的呢?從古至今,所有人都沒有懷疑過空間是平的,甚至他們都不認為空間會有形狀。偉大的科學家牛頓也是在空間是平的基礎上提出他的萬有引力理論。

但是在上世紀初,有一個初出茅廬的博士生提出了時間和空間是糾纏在一起互不可分的,稱之為時空,這個理論稱為狹義相對論,這位博士生就是愛因斯坦。他憑這個偉大的理論成為一位年輕的科學家,並進入大學成為一位大學教授。十年後,愛因斯坦再次提出一個顛覆人類認知的科學理論——廣義相對論,提出時空會被周圍的物體“壓”彎。

愛因斯坦說,地球圍繞太陽轉並不是因為太陽用萬有引力把地球拉住繞圈圈,而是地球在太陽“壓”彎了的時空裡勇往直前地繞圈圈。簡單地說就是地球原本走的是直線,但太陽的質量使地球所走的直線變彎了,彎成了一個圓圈,地球就沿著“直線”在這個圓圈裡轉了。

宇宙的形狀——有限無邊的超球面

聰明的愛因斯坦發現了空間會彎曲以後,他馬上想到了我們的宇宙,他想,如果整個宇宙時空都是彎的,它最終不就首尾相接成為一個“圈”了嗎?

當然愛因斯坦所想到的宇宙形狀並不是一個圓圈,因為我們的宇宙並不是一條線,而是一個彎曲的立體!現在要大家發揮想像力來理解愛因斯坦的彎曲宇宙了。

一維的直線空間:一條直線只有2個方向,即前、後。

二維的平面空間:一個平面有4個(互相垂直)方向,即前、後、左、右。

三維的立體空間:一個立體有6個(互相垂直)方向,即前、後、左、右、上、下。

當一維的直線彎了以後,會變成一個圓圈。

當二維的平面彎曲了以後,會變成什麼呢?聰明的小朋友可能會猜到了,會變成一個球面。

那麼當三維的立體彎曲以後呢?愛因斯坦說它會變成一個超球面,就是一個四維的“超級球”的表面。而我們的宇宙正是這樣一個彎曲的超球面宇宙。

有限無邊的宇宙

雖然空間彎曲已經被光線彎曲間接地證實了,但是其實我們無法想像彎曲的空間是什麼樣的,不但我們想像不出,連天才愛因斯坦也承認說自己想像不出,這是因為我們沒有三維空間彎曲的經驗,也就是說我們沒看見過,就像我們想像不出我們沒見過的顏色一樣,我們也沒有人能想像出彎曲的超球面宇宙是什麼樣的。

雖然想像不出,但科學家能描繪它的一些特點,第一個很重要的特點就是——有限。我們從前面一維的直線彎曲後的樣子就知道,它的長度是有限的,直線的長度可以無限長,但當它彎成一個圓圈時,它的圓周長度不可能是無限長的。當我們推廣到三維彎曲的超球面宇宙,也就同樣知道它的大小是有限的。

但又有第二個重要的特點就是——無邊。就是說宇宙雖然大小有限,但它沒有邊際。從上面的圓圈小朋友很容易就明白,因為我們找不到圓圈的盡頭,雖然它長度有限,卻沒有盡頭,你可以在圓圈里永遠的向前走下去,永遠也到不了盡頭,你可能走一圈後又回到了出發的地方。我們的宇宙正是這樣,它的大小有限,但當我們向任何一個方向走,卻永遠也走不到盡頭,因此我們永遠不會到達宇宙的邊緣,因為它並沒有邊緣。

所以我們現在就知道了問題的答案:

宇宙是什麼樣子的呢?答案是——宇宙是一個彎曲的超球面。

去到宇宙的邊緣會怎麼樣?答案是——宇宙沒有邊緣,所以我們永遠到不了宇宙的邊緣,因為那邊緣根本不存在。