宇宙边界是否存在？ - 海洋天文学观测

1 |+ p% [2 l% G, H& g9 y$ y

宇宙是否有边界需要通过天文观测去证实，而光线的传播速度有限，人类的寿命也有限，因此人类能够观测到的宇宙空间范围也有限的。

如果人类的观测证实宇宙空间是均匀平直无限的三维空间，毫无疑问，宇宙没有边界。

如果人类观测证实宇宙是点对称有限四维空间，确定无疑，宇宙有边界，宇宙中心奇点就是宇宙空间的边界。

# L' q' |9 n2 |+ ?3 }6 Z

以上两种宇宙空间形态仅仅是宇宙许多种可能的空间结构形态的最简单的两种。

它们具有什么样的天文观测特征呢？

一，相同特征：引力作用下星系之间加速退行。

0 Y7 X P. I* _% C

1.均匀平直无限三维空间

) \( N4 G! `8 K. \+ M. _ x

所谓的均匀是指宏观大尺度的星系均匀分布，平直也是指宏观大尺度上的平直。

为便于理解，将宇宙空间比作宽广无垠的海洋，把均匀分布的星体比作在海洋中独自觅食的鱼儿，有一个名字叫牛顿的巫师对鱼儿们施了魔法：海洋中任何位置只要是两条鱼儿离的比周围其它鱼儿的距离近就必须加速靠近在一起后，而附近的单独的鱼儿就要以它两个为中心聚集成鱼群，小鱼群必须向最近的大鱼群聚集，大鱼群向附近更大的鱼群聚集……鱼群越聚越大，鱼群之间越来越远，海洋越来越空旷。天文学家哈勃不小心掉到海洋里观测到了鱼群之间相互退行，于是惊呼大海膨胀了！

' c) q2 y9 p" C+ K& x) \+ J

由于均匀平直三维空间局部空间物质分布的不均匀性，万有引力发挥作用，使星系结团，星系团之间相互退行。在平直三维空间中万有引力是星系之间加速退行的根本原因。

2.点对称有限四维空间

# E- V$ v# J( y/ n+ i

点对称有限空间是四维的，空间中必须包括一个大质量高密度的奇点，它的质量大于空间总物质量的50%，整个空间被该奇点所封闭，也就是说，该奇点既是宇宙中心又是宇宙边缘。由于它是四维的，很难被人类所理解，但是可以被人类所观测。

为了便于理解，尝试用广义相对论的常识对三维空间中心引力场由浅入深一步步进行分析讨论。

" ? @1 B4 T1 b! D4 P

首先假设宇宙空间是三维的，先不考虑空间是不是有限的，只假设宇宙中心质量和宇宙空间的物质是有限的。

比如假设宇宙中心质量像地球质量一样大，宇宙中的物质像大气层一样，星系就是正在地心引力场中坠落的雨滴。哈勃坐在北半球的屋檐下观测连续下落的雨滴之间加速退行，他想观测南半球的雨滴之间是不是也加速退行，结果他到了南半球看到屋檐下的雨滴之间也是加速退行的，于是他得到了雨滴之间的哈勃定律：在垂直于地表的方向上，雨滴之间加速退行。这是自由落体之间的运动规律。

" Z: R* e4 ?# s

他思考了许久，决定要同时观测南北半球的雨滴之间相互运动的规律。于是他在南极架设了一个天梯，直达大气层之外，还是有地表的遮挡，于是他使地表变成了透明的，因此他得以观测到北半球下落的雨滴，结果他发现南半球雨滴离他加速而去，北半球的雨滴是迎面加速而来。也就是说哈勃观测到了南半球雨滴是反射红移光线，北半球雨滴反射蓝移光线，各占50%。

哈勃在想：为什么不是普遍的红移呢？或许因为地球的质量不够大？此时光线的弯曲半径趋于无穷大。

. n/ |$ q6 c# m/ |

于是他让地球质量增加，像恒星一样大，增大的地心质量产生了广义相对论空间变形——引力透镜效应：哈勃发现北半球迎面而来的雨滴变稀疏了，许多已经坠落到地平线之下的雨滴又上升到了地平线之上了。北半球反射蓝移光线的雨滴数量不足50%。此时光线弯曲半径ρ大于哈勃到地心的距离R，即ρ/R＞1。

: e, ?/ C: f4 n7 s8 u

哈勃继续增加地心的质量，不仅让地表透明而且可以穿透，此时哈勃从梯子上跳下来，当他坠落到地表时，他发现地表变平了，不再是一个球面，而是一个平盘上下所有的雨滴都在加速退行，此时哈勃发现空间是极化的，在垂直地表方向空间是“膨胀”的，在平行于地表方向空间是“收缩”的——同一高度上速度相同的雨滴之间在万有引力作用下相互靠近。此时哈勃再也看不到地心了。此时ρ/R=1。

6 } C# H" h% d; v: P

继续增加地心的质量，使它大于宇宙总质量的50%，此时哈勃发现地表翘曲了，反卷了，成为一个球形内表面，所有的雨滴都在加速向球面飞去，穿越地表飞向四面八方。此时ρ/R＜1。宇宙空间是点对称四维有限空间。哈勃观测到了雨滴普遍红移。

& N& C+ [7 Q# Q2 g# W1 e

点对称四维有限空间星系之间加速退行是中心引力场中星系之间自由落体之间的普遍规律在广义相对论空间视觉表达的统一。

Z& ]; g; o, K( v) D4 |$ q

二，不同特征——微波背景辐射

1.均匀平直三维无限空间宇宙的辐射源主要来自各星系中心黑洞的吸积辐射，成点状分散分布。

z7 {! j# i* k! Q8 Q( t

2.点对称四维有限空间的辐射主要来自宇宙中心奇点，成球面均匀分布。这是四维空间特性，不仅仅是四维空间的视觉表达。

8 O# b* `6 K b# t4 U k$ F

用一个三维截体模型展示一下点对称有限四维空间宇宙，把点对称有限四维空间宇宙缩小成两个地球体积大小的模型，它是这样的，地球表面立满了高度等于地球半径大小的方尖碑，地球和方尖碑都是透明的，地表之下的地球代表远离宇宙中心奇点的一半宇宙空间，而方尖碑内代表着靠近奇点的另一半宇宙空间，每个方尖碑在四维空间中都是紧密相通相连的，每个方尖碑的尖就是同一点——宇宙中心点，那个吞噬万物发射辐射的奇点。

5 a& I* `; n7 F& m" ?

银河系就在某一根方尖碑内，正在加速向尖端坠落。

2 P, n$ L( C5 Q4 s7 Z5 Z

4 ^2 H4 u+ W& X' z0 F 2 f3 u9 O' t5 `; [; u: j & a! T# X1 E7 l- S9 U' j! f