书城教材教辅天文兴趣看台
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第7章 宇宙的形态

宇宙的大小

宇宙是广漠空间和其中存在的各种天体以及弥漫物质的总称。一般有“观测到的宇宙”和“物理宇宙”之说。“观测到的宇宙”即总星系。

现在已能观测200亿光年的宇宙深处。“物理宇宙”即物理现象上进行解释的宇宙。它在空间上是无边无沿的,在时间上是无始无终的,大部分为人们观测所不及。

宇宙的形状

通常认为,宇宙是扁平和无限的,但一批天体物理学家却对此提出异议,认为它的形状可能像一个足球。也有科学家认为宇宙是由弯曲的五角形面组成的,主要根据来自卫星拍摄的140亿年前大爆炸释放出来的辐射,这些辐射至今仍在以微波的形式冲击太空。

宇宙的奇壳

闭合的宇宙时空理论模型是由爱因斯坦建立的。我们知道,在宇宙时空持续加速膨胀的情况下,当其宇宙时空的膨胀速度达到无穷近似于光速时,宇宙时空就会形成一个壳状的、呈现出各种类似于黑洞性质及特征的天然屏障,我们称为奇壳。由奇壳所包裹着只是宇宙时空中的一个局部。

内宇宙

从时间极开始发生膨胀,产生爆炸,致使光线指向空间极端,这一过程类似于地球上的白天,空间进入宏观世界,宇宙便不断扩张,到一定程度时候足够的光线挤压宇宙壁向外推动外宇宙,外宇宙得以作用于内宇宙,形成压力,压缩内宇宙,空间便向时间转化,这时候内宇宙就会发生坍塌式爆炸,宇宙逐步收缩转化为时间,进入微观世界,这类似于地球的黑夜。

宇宙壁

就是内宇宙和外宇宙的分界线,也是由虚点组成的广义宇宙和实点组成的狭义宇宙的分界线,内宇宙光线不断向各个方向扩散,但到达宇宙边缘就会产生光线扭转,运动趋势和方向发生改变,致使内宇宙的光线逐步修正运行角度,最终把内宇宙空间部分修正成一个椭圆形区域。

外宇宙

是由空间和时间组成的均匀分布的环绕在内宇宙的一组组相对平衡的无限虚点构成,表现为稳定的静止,当足够的能量通过宇宙壁作用于它时,就会向弹簧一样产生反作用,反作用致使组成外宇宙中虚点中的时间和空间通过宇宙壁网眼向内宇宙渗漏,从而长生坍塌式或膨胀式爆炸。

开放与闭合的宇宙

如果宇宙中物质的平均密度小于临界密度,宇宙就会一直膨胀下去,称为开宇宙;要是物质的平均密度大于临界密度,膨胀过程迟早会停下来,并随之出现收缩,称为闭宇宙。但实际上,闭合的宇宙有一定的年龄,到一定时期就会出现收缩,从而形成单一的黑洞,宇宙就会因此而毁灭。

均匀的宇宙

无论是托勒密的地心说还是哥白尼的日心说,都认为宇宙是有限的。并且随着天文观测技术的发展,人们观测到银河是由无数太阳系组成的巨大星系,但这样大的星团足有无数个,它们都是均匀各向同性地分布着。宇宙学原理也认为,在宇观尺度上,三维空间在任何时刻都是均匀各向同性的。

有限而无边的宇宙

爱因斯坦1916年发表广义相对论,1917年就提出一个建立在广义相对论基础上的宇宙模型。在这个模型中,宇宙的三维空间是有限无边的,而且不随时间变化。

膨胀或脉动的宇宙

前苏联数学家弗利德曼,应用不加宇宙项的场方程,得到一个膨胀的、或脉动的宇宙模型。弗利德曼的宇宙在三维空间上也是均匀的、各向同性的,但是不是静态的。这个宇宙模型随时间变化,分三种情况。

第一种情况,三维空间的曲率是负的;第二种情况,三维空间的曲率为零,也就是说,三维空间是平直的;第三种情况,三维空间的曲率是正的。前两种情况,宇宙不停地膨胀;第三种情况,宇宙先膨胀,达到一个极大值后开始收缩,然后再膨胀,再收缩……因此第三种宇宙是脉动的。