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四种基本作用力中,引力和电磁力属于长程力,其它两种力在远距离上几乎会消失。可见光及看不见的各种宇宙射线,都是电磁力的表现。而引力更是无处不在,宇宙中任何物体之间都存在这种力,不论它们相距有多远。正是引力将星际物质聚集在一起,形成恒星、行星、彗星等各种天体,最终产生出遍布宇宙的星系。
奇怪的是,为什么宇宙中所有星系都在因引力而相互吸引,却并没有被引力挤压到一起?引力之外的其它三种力,明显不是阻止星系相互聚集的原因,因此,人们推断宇宙中存在一种排斥力,它与引力会产生一种平衡,进而保持宇宙的稳定。爱因斯坦出于对稳态宇宙的追求,曾在引力场方程中加进一项宇宙常数,后来自己声称这是他一生中犯的最大错误。
100年前,根据天文观测,宇宙中所有星系不但没有因引力而聚集在一起,相反,它们都在彼此远离,距离越远的两个星系,相互远离的速度就越大,相距足够远的两个星系,远离的速度甚至超过了光速。哈勃根据这些观测数据,推测得出这样一个惊人的结论:宇宙正在膨胀,星系之间的相互远离就是膨胀的一部分,宇宙中并不存在排斥力。
在研究宇宙膨胀的过程中,人们发现宇宙膨胀的本质,是宇宙空间自身的膨胀,而并不仅是星系之间的相互远离。宇宙的三维空间被认为像是气球的二维表面一样,在充气的过程中会持续膨胀,表面上任意两点间的距离会不断增加。
后续对宇宙膨胀的观测数据又表明,宇宙自138亿年前的大爆炸以来,一直在膨胀,到现在竟然还在加速膨胀,似乎这种加速膨胀会一直持续下去。因此,又有物理学家认为,宇宙膨胀的加速,正是宇宙中的排斥力引起的。甚至有物理学家开始担忧这样一个问题:
不断给气球打气,它膨胀到一定大小时就会发生爆炸。气球的表面材料被不断拉伸,最终超越了它的承受极限,因而发生了炸裂。同样的,宇宙会不会因持续的加速膨胀而在一场爆炸中毁灭,留下来一片片被撕碎的宇宙残骸?
这个问题首先涉及到宇宙的大小问题。在各向同性原理的保证下,宇宙学家得到了两个模型。一个模型中,宇宙是一个有限无界的封闭三维球面,空间曲率大于0,其中三角形的内角和大于180度。另一个模型中,宇宙空间是发散的马鞍面(双曲面),空间曲率小于0,三角形的内角和小于180度。最近还有物理学家提出了第三个模型,不可思议的地方是,这个模型中宇宙空间的曲率为0,是平直空间但又不是无限的,存在一定的边界,当物质运动到边界上时,就会自动出现在遥远另一边的边界上。
回到宇宙会不会因加速膨胀而炸裂的问题上。宇宙空间的膨胀过程中,如果会产生出新的空间来,那么它就永远不会爆炸。如果宇宙一直膨胀下去,就需要一直有新的空间产生。因为空间和物质是相互依赖的,新的空间的不断产生,等价于新的物质的不断产生。而一个无限膨胀下去的宇宙,并不会拥有无限大的能量,那么持续产生出无限质量的物质,就是不可能的。因此,宇宙空间的膨胀并不会出现新的空间,而是单纯的一种“拉伸”效应。
在马鞍面宇宙模型中,因为宇宙空间是无限大的,因此,对于空间这种特殊的“弹性”存在形式,它在膨胀的过程中,永远都不会遇到这样的问题:因为宇宙空间这种弹性“材料”是有限的,它在持续膨胀(拉伸)下去时,就会像普通物质一样产生炸裂。这就像气球表面,因为它的表面材料是有限的,所以它才会因为不断的拉伸而炸裂。而无限大的宇宙空间再怎么膨胀(拉伸),都不会面临因材料有限而产生的炸裂现象。
在三维球面宇宙模型中,宇宙空间是有限的,而且不断在加速膨胀(拉伸),看来很可能会像膨胀的气球表面一样发生爆裂,是这样的吗?有物理学家认为,空间毕竟不同于普通物质,它在连续性的假设条件下是能够进行无限拉伸的,因为空间的组成成分是无限稠密的、连续的。而考虑到在普朗克长度以下,空间就已经失去了意义,因此离散的空间是不可能被无限拉伸的,无限膨胀下去的结果就是空间一定会被撕裂。
其实,在连续性空间条件下,空间被无限拉伸非常可能会导致宇宙中所有物质的量子力学效应无限增强,一个个原本可以被观测到的粒子逐渐全部消失,最终空间虽然不会炸裂,但是会随着粒子一起消失。
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