静止地球是三维球体,这已是人所共知的常识。这个时候,地球表面的人,是如何直观理解地球的长宽高,理解地球的边缘呢?
远古的时候,人难以在地球表面长距离活动,一般凭直觉,认为地球大地是平的,会有一些厚度、轮廓,底下会有支撑什么的,难以想象地球是圆的。
现在我们知道,一个人站在地面,就是站在地球边缘。一个人触摸地面,就是触摸地球边缘。这是可以通过环球旅行进行理解与圆周运算验证的。
所以,远古人要问地球的边缘在哪里,现代人给出的答案是:地球表面的每一个地方都是地球的边缘。
那么,地球包裹在宇宙中,宇宙的边缘在哪里呢,形状如何?这是宇宙学家还在猜测、观测、验证的问题,理论很多,不是每一个人都有明确答案,不是每一种答案都会得到一致认同。
不过,根据地球表面,每一个地方都是地球边缘这个经验。有人就想到,会不会,宇宙的边缘问题也有类似的情况?
——三维的地球,边界是二维的面,那么四维宇宙的边界,会不会就是三维的?如果是三维的,那么,要到达宇宙边缘,只要伸手触摸立体空间中的任何一点就可以了。
如果按这个说法,那么,这意味着宇宙空间中宇宙物质上的每一点,都位于宇宙边缘上。这似乎也相当于说,宇宙没有边缘,宇宙是无边无际的。这也是为宇宙边界的传统流行看法——认为宇宙边界是无边无际的,没有边缘这种观点,提供了一种理解思路。
关于宇宙边缘在哪里这个问题,这种说法的结论就是:不管宇宙是不是无边无际,我们伸手就可以触摸到其边缘。其边界就是三维空间。这好比说,尽管我们一时不知道地球的表面积有多大,但是我们触摸某个地方的地面就能触摸到地球的边界。
那么,维度之间的边界关系怎样?
一维,就是线,一维物体的边界是零维的点。比如,线段上的边界是两个孤立的点,触摸其中一个点,就是触摸一维物体的边缘。
二维,就是面,二维物体的边界是一维的线。比如一个圆形面,其边界是一个圆周。沿圆周运动就是边界,触摸二维圆周上的每一个点就是触摸圆面的边缘。
类推一下。
三维,就是体。三维物体的边界是二维的面,比如球体的边界是球面。球面上的每一个点都是边缘。
那么,对于四维空间,四维物体难以直观想象,于是类推为,四维物体的边界应该是三维的体,三维空间的每一个点都是边缘。
以上类推,看起来没有毛病,理解、应用起来其实容易产生错误。
比如,二维的物体,一张矩形纸是二维的,可是一个气球,球面也是二维的,和三维有一些傻傻分不清楚。
而宇宙时空,一个由时间与三维空间组成的东东,与理论上的纯粹四维空间是有差别的。但是四维空间本身难以想象,二者的差别也就难以想象。要理解这种差别,就类似于理解气球“二维球面”与气球“三维球体”的差别。好比说,宇宙的四维时空是虚的,纯粹的四维物体则是实的。
于是,从三维物体的边界问题,类推到四维时空的边节问题时,出现了理解错误。
宇宙是四维时空,不是四维空间,二者是有差别的。宇宙空间本质上是三维空间加一个特殊的时间维度。而理论上的四维空间,没有对应的物体。
如果仅仅从上面维度间的边界关系,那么,可以发现,有这样一个思路:
当人触摸一维线段边缘,也就是两个端点的时候,你就触摸到了二维的面——但这是二维面本身,并不是一定是二维物体的边界。
当人触摸二维物体的边界时,比如矩形线框,你也触摸到矩形线框所在三维物体的表面边界——但这是在矩形线框位于三维物体表面的情况下才成立。
于是,可能类推,当人触摸三维物体的边界时,比如地球的边界即地球的表面时,是不是也触摸到了四维时空的表面呢——
似乎成立。于是有一种说法,就是说,我们地球表面的可见的物体表面,就是宇宙的边缘。任何物质的表面都是宇宙时空的边界。
但是,从上面思路的加粗字体知道,二维到三维的推理不成立,三维到四维的推理,尽管细节不清楚,我们也相信,推理不成立。
所以,物质表面就是宇宙边缘的说法是错误的。
那么,正确的宇宙边缘是什么样,在哪里呢?
首先这个边缘是不好简单直观想象的。
我们要知道一个三维物体的边缘,首先知道它的体积。就是长宽高的关系。
而对于宇宙这样的四维时空,我们对其长宽高,只能用光去长量。可我们已经分析过,不考虑测量点本身物质天体存在对测量可能产生的影响,只考虑理想状况下,一束直线的光射向太空、宇宙空间,去计算它所走过的路程,最后我们发现这个光源,会回到起点。
也就是光走过了一条弯曲的线路,所测得的长度,在三维空间是准确的。我们无法根据这个长度,构建出一个宇宙的三维模型。也就是无法找到宇宙三维模型的边界。
而真正的宇宙四维时空边界,可以这样理解—一个天体或者一个宇宙物质,如果它要想到达宇宙边界,那么,它可以以一个点为中心,向任何方向进行无数次尝试,可以看看它会经历什么?
在几百亿光年的旅程中,它将耗尽它出发时物质形态本身的生命周期,有机物会回到无机物,无机物会回到微观粒子,天体会演化。这是一个物质层级旅行的概念。
也许它到达过,也肯定到达过我们思维习惯中的三维边界。但是,连光也不可能突破的三维边界,这个三维边界的想法是没有意义的。
任何试图向边界方向进行的旅行,最后都会回到起点。这种旅行必然与物质层级演化概念有关。
所以,我们可以得出,寻找宇宙边缘的想法,其实要和物质形态的演化联系起来,才有实际意义。这好比,我们都知道地球是球体,可以环球旅行得有交通工具一样。
而理论上,宇宙的模型,比较一致的看法是,宇宙是有限无界的动态四维时空。人似乎目前没有办法丈量清楚,去的光、电磁波会转弯,接收的光、电磁波最远有约900亿光年。一切都是动态的,不像地球,有一个静态的表面。实际上,严格说来,地球表面万物生长、地质演化,也是动态的。这一点与宇宙时空边界应该非常像。
可以把每一个物质,都看成有机会到达边缘的存在物,一切都是时间问题。那里一定是有限的。
所以,当人触摸一个物体的时候,可以说也是触摸了宇宙物质世界的边缘物体,但需要等待时间,它才有可能到达某个参照物确定的真正意义上的宇宙边界。
宇宙四维时空的边缘只有相对概念。一定要给它一个三维模型边界的想法没有意义。
可触摸,又不可触摸,这就是宇宙时空的神奇之处。
对于这个难以直观想象的宇宙边界解释,您有什么看法,欢迎留言讨论。