用科普的角度来解答 宇宙到底有没有边界?

这个问题是在各种场合被探讨的热门话题,没有之一。感兴趣的年龄从6岁的孩子到已经退休的老人家,各行各业的人基本上都有,但是很少有职业天文学家,而且基本上没有从事宇宙研究的天文学家(最后会分析一下这个原因,但是肯定不是因为他们确切知道这个问题的答案)。

在回答这个问题之前,首先我们得定义什么是宇宙?一般来说,我们认为宇宙就是物质世界的总和。那么在这种情况下,我如果回答宇宙有边界,那么你一定会接着问,边界外面是什么?答案是:边界外面仍然是宇宙。你如果接着问,再往外呢?答案仍然是:再往外仍然是宇宙。所以我只能回答,宇宙没有边界。

但是这个回答你肯定不会满意:没有边界不就意味着宇宙是无穷大了吗?没错儿,爱因斯坦当年就是不相信宇宙是无限的,但是他也不认为宇宙有边界,那怎么办?爱因斯坦当然不会被这个问题难住,他认为我们的宇宙是有限无界的!

什么是有限无界?比如,一个蚂蚁在一个很大的球面上,它无论如何也找不到这个球面的边界,但是很显然,这个球面是有限的,因为它是闭合的。同样的道理,如果我们的宇宙是一个闭合的宇宙,我们就不可能找到宇宙的边界,但是这个宇宙就是有限的。比如,有一个很漂亮的宇宙模型认为,我们的宇宙就是一个巨大的四维黑洞的三维视界面,当然就是有限无界的。

那么我们的宇宙是闭合的吗?这个问题就是科学研究可以回答的了:根据爱因斯坦的广义相对论,如果能够精确测量宇宙的平均密度(也包括宇宙的所有能量),那么就可以确定我们的宇宙是否是闭合的。现在的观测结果告诉我们,宇宙的平均密度极为接近能够恰好让宇宙闭合的密度,但是目前的精度既不能完全排除宇宙是闭合的,也不能确定宇宙就是开放(无限)的,只能等待未来更高精度的测量结果。

但是未来更高精度的测量结果也不一定就能够彻底确定宇宙是闭合(有限)的还是开放(无限)的,因为任何测量都是有精度限制的(最终的限制来自量子力学的不确定性原理),很可能我们永远都不能纯粹从观测的角度彻底确定宇宙的这个基本性质。

因此,尽管爱因斯坦不相信宇宙会是无限的,但是目前的科学研究并不能给出明确答案,这就是科学和哲学的区别。科学需要证据(实验或者观测),而哲学只需要理性思考。

至于为什么绝大多数天文学家和几乎所有研究宇宙的天文学家都不问宇宙有没有边界这个问题,答案就是:他们是科学家,科学家只相信科学给出的结果。其实,大部分天文学家都认为宇宙是无限的(当然没有边界),只有少部分天文学家认为宇宙是有限的(也没有边界),但是都不觉得这有什么问题,还有很多天文学家根本不想这个问题(不信你问问你认识的天文学家)。因为很多科学家认为,科学的目的是发现规律和真相,至于为什么?这不是科学能够回答的。但是我本人不认同这个看法,我认为科学最终也应该能够回答为什么,只是现在还做不到!

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