宇宙到底說有限還是無限

　　現(xiàn)在，我們又回到前面的話題，宇宙到底有限還是無限？有邊還是無邊？對此，我們從廣義相對論、大爆炸宇宙模型和天文觀測的角度來探討這一問題。滿足宇宙學(xué)原理（三維空間均勻各向同性）的宇宙，肯定是無邊的。但是否有限，卻要分三種情況來討論。如果三維空間的曲率是正的，那么宇宙將是有限無邊的。不過，它不同于愛因斯坦的有限無邊的靜態(tài)宇宙，這個(gè)宇宙是動(dòng)態(tài)的，將隨時(shí)間變化，不斷地脈動(dòng)，不可能靜止。這個(gè)宇宙從空間體積無限小的奇點(diǎn)開始爆炸、膨脹。此奇點(diǎn)的物質(zhì)密度無限大。溫度無限高、空間曲率無限大、四維時(shí)空曲率也無限大。在膨脹過程中宇宙的溫度逐漸降低，物質(zhì)密度、空間曲率和時(shí)空曲率都逐漸減小。體積膨脹到一個(gè)最大值后，將轉(zhuǎn)為收縮。在收縮過程中，溫度重新升高、物質(zhì)密度、空間曲率和時(shí)空曲率逐漸增大，最后到達(dá)一個(gè)新奇點(diǎn)。許多人認(rèn)為，這個(gè)宇宙在到達(dá)新奇點(diǎn)之后將重新開始膨脹。顯然，這個(gè)宇宙的體積是有限的，這是一個(gè)脈動(dòng)的、有限無邊的宇宙。未解之謎如果三維空間的曲率為零，也就是說，三維空間是平直的（宇宙中有物質(zhì)存在，四維時(shí)空是彎曲的），那么這個(gè)宇宙一開始就具有無限大的三維體積，這個(gè)初始的無限大三維體積是奇異的（即“無窮大”的奇點(diǎn)）。大爆炸就從這個(gè)“無窮大”奇點(diǎn)開始，爆炸不是發(fā)生在初始三維空間中的某一點(diǎn)，而是發(fā)生在初始三維空間的每一點(diǎn)。即大爆炸發(fā)生在整個(gè)“無窮大”奇點(diǎn)上。這個(gè)“無窮大”奇點(diǎn)，溫度無限高、密度無限大、時(shí)空曲率也無限大（三維空間曲率為零）。爆炸發(fā)生后，整個(gè)“奇點(diǎn)”開始膨脹，成為正常的非奇異時(shí)空，溫度、密度和時(shí)空曲率都逐漸降低。這個(gè)過程將永遠(yuǎn)地進(jìn)行下去。這是一種不大容易理解的圖像：一個(gè)無窮大的體積在不斷地膨脹。顯然，這種宇宙是無限的，它是一個(gè)無限無邊的宇宙。三維空間曲率為負(fù)的情況與三維空間曲率為零的情況比較相似。宇宙一開始就有無窮大的三維體積，這個(gè)初始體積也是奇異的，即三維“無窮大”奇點(diǎn)。它的溫度、密度無限高，三維、四維曲率都無限大。大爆炸發(fā)生在整個(gè)“奇點(diǎn)”上，爆炸后，無限大的三維體積將永遠(yuǎn)膨脹下去，溫度、密度和曲率都將逐漸降下來。這也是一個(gè)無限的宇宙，確切地說是無限無邊的宇宙。那么，我們的宇宙到底屬于上述三種情況的哪一種呢？我們宇宙的空間曲率到底為正，為負(fù)，還是為零呢？這個(gè)問題要由觀測來決定。廣義相對論的研究表明，宇宙中的物質(zhì)存在一個(gè)臨界密度qc,大約是每立方米三個(gè)核子（質(zhì)子或中子）。如果我們宇宙中物質(zhì)的密度ρ大于qc,則三維空間曲率為正，宇宙是有限無邊的；如果ρ小于qc,則三維空間曲率為負(fù)，宇宙也是無限無邊的。因此，觀測宇宙中物質(zhì)的平均密度，可以判定我們的宇宙究竟屬于哪一種，究竟有限還是無限。此外，還有另一個(gè)判據(jù)，那就是減速因子。河外星系的紅移，反映的膨脹是減速膨脹，也就是說，河外星系遠(yuǎn)離我們的速度在不斷減小。從減速的快慢，也可以判定宇宙的類型。如果減速因子q大于1/2,三維空間曲率將是正的，宇宙膨脹到一定程度將收縮；如果q等于1/2,三維空間曲率為零，宇宙將永遠(yuǎn)膨脹下去；如果q小于1/2,三維空間曲率將是負(fù)的，宇宙也將永遠(yuǎn)膨脹下去。我們有了兩個(gè)判據(jù)，可以決定我們的宇宙究竟屬于哪一種了。觀測結(jié)果表明，ρ1/2,這表明我們宇宙的空間曲率為正，宇宙是有限無邊的，脈動(dòng)的，膨脹到一定程度會收縮回來。哪一種結(jié)論正確呢？有些人傾向于認(rèn)為減速因子的觀測更可靠，推測宇宙中可能有某些暗物質(zhì)被忽略了，如果找到這些暗物質(zhì)，就會發(fā)現(xiàn)ρ實(shí)際上是大于qc的。另一些人則持相反的看法。還有一些人認(rèn)為，兩種觀測方式雖然結(jié)論相反，但得到的空間曲率都與零相差不大，可能宇宙的空間曲率就是零。然而，要統(tǒng)一大家的認(rèn)識，還需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)觀測和理論推敲。今天，我們?nèi)匀豢隙ú涣擞钪婢烤褂邢捱�是無限，只能肯定宇宙無邊，而且現(xiàn)在正在膨脹！此外，還知道膨脹大約開始于100億—200億年以前，這就是說，我們的宇宙大約起源于100億—200億年之前。