世界上有没有第三维空间包括第三维空间是什么?

世界上有没有第三维空间包括第三维空间是什么?
世界上有没有第三维空间
包括第三维空间是什么?

世界上有没有第三维空间包括第三维空间是什么?
1917年,爱因斯坦发表了著名的“广义相对论”,为我们研究大尺度、大质量的宇宙提供了比牛顿“万有引力定律”更先进的武器.应用后,科学家解决了恒星一生的演化问题.而宇宙是否是静止的呢?对这一问题,连爱因斯坦也犯了一个大错误.他认为宇宙是静止的,然而1929年美国天文学家哈勃以不可辩驳的实验,证明了宇宙不是静止的,而是向外膨胀的.正像我们吹一只大气球一样,恒星都在离我们远去.离我们越远的恒星,远离我们的速度也就越快.可以推想：如果存在这样的恒星,它离我们足够远以至于它离开我们的速度达到光速的时候,它发出的光就永远也不可能到达我们的地球了.从这个意义上讲,我们可 以认为它是不存在的.因此,我们可以认为宇宙是有限的.
“宇宙到底是什么样子?”目前尚无定论.值得一提的是史蒂芬·霍金的观点比较让人容易接受：宇宙有限而无界,只不过比地球多了几维.比如,我们的地球就是有限而无界的.在地球上,无论从南极走到北极,还是从北极走到南极,你始终不可能找到地球的边界,但你不能由此认为地球是无限的.实际上,我们都知道地球是有限的.地球如此,宇宙亦是如此.
怎么理解宇宙比地球多了几维呢?举个例子：一个小球沿地面滚动并掉进了一个小洞中,在我们看来,小球是存在的,它还在洞里面,因为我们人类是“三维”的；而对于一个动物来说,它得出的结论就会是：小球已经不存在了!它消失了.为什么会得出这样的结论呢?因为它生活在“二维”世界里,对“三维”事件是无法清楚理解的.同样的道理,我们人类生活在“三维”世界里,对于比我们多几维的宇宙,也是很难理解清楚的.这也正是对于“宇宙是什么样子”这个问题无法解释清楚的原因.
1、均匀的宇宙
长期以来,人们相信地球是宇宙的中心.哥白尼把这个观点颠倒了过来,他认为太阳才是宇宙的中心.地球和其他行星都围绕着太阳转动,恒星则镶嵌在天球的最外层上.布鲁诺进一步认为,宇宙没有中心,恒星都是遥远的太阳.
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.教会支持宇宙有限的论点.但是,布鲁诺居然敢说宇宙．是无限的,从而挑起了宇宙究竟有限还是无限的长期论战.这场论战并没有因为教会烧死布鲁诺而停止下来.主张宇宙有限的人说：“宇宙怎么可能是无限的呢?”这个问题确实不容易说清楚.主张宇宙无限的人则反问：“宇宙怎么可能是有限的呢?”这个问题同样也不好回答.
随着天文观测技术的发展,人们看到,确实像布鲁诺所说的那样,恒星是遥远的太阳.人们还进一步认识到,银河是由无数个太阳系组成的大星系,我们的太阳系处在银河系的边缘,围绕着银河系的中心旋转,转速大约每秒250千米,围绕银心转一圈约需2.5亿年.太阳系的直径充其量约1光年,而银河系的直径则高达10万光年.银河系由1000多亿颗恒星组成,太阳系在银河系中的地位,真像一粒砂子处在北京城中.后来又发现,我们的银河系还与其他银河系组成更大的星系团,星系团的直径约为107光年(1000万光年).目前,望远镜观测距离已达100亿光年以上,在所见的范围内,有无数的星系团存在,这些星系团不再组成更大的团,而是均匀各向同性地分布着.这就是说,在10的7次方光年的尺度以下,物质是成团分布的.卫星绕着行星转动,行星、彗星则绕着恒星转动,形成一个个太阳系.这些太阳系分别由一个、两个、三个或更多个太阳以及它们的行星组成.有两个太阳的称为双星系,有三个以上太阳的称为聚星系.成千亿个太阳系聚集在一起,形成银河系,组成银河系的恒星(太阳系)都围绕着共同的重心——银心转动.无数的银河系组成星系团,团中的各银河系同样也围绕它们共同的重心转动.但是,星系团之间,不再有成团结构.各个星系团均匀地分布着,无规则地运动着.从我们地球上往四面八方看,情况都差不多.粗略地说,星系固有点像容器中的气体分子,均匀分布着,做着无规则运动.这就是说,在10的8次方光年(一亿光年)的尺度以上,宇宙中物质的分布不再是成团的,而是均匀分布的.由于光的传播需要时间,我们看到的距离我们一亿光年的星系,实际上是那个星系一亿年以前的样子.所以,我们用望远镜看到的,不仅是空间距离遥远的星系,而且是它们的过去.从望远镜看来,不管多远距离的星系团,都均匀各向同性地分布着.
因而我们可以认为,宇观尺度上(10的5次方光年以上)物质分布的均匀状态,不是现在才有的,而是早已如此.
于是,天体物理学家提出一条规律,即所谓宇宙学原理.这条原理说,在宇观尺度上,三维空间在任何时刻都是均匀各向同性的.现在看来,宇宙学原理是对的.所有的星系都差不多,都有相似的演化历程.因此我们用望远镜看到的遥远星系,既是它们过去的形象,也是我们星系过去的形象.望远镜不仅在看空间,而且在看时间,在看我们的历史.
2、有限而无边的宇宙
爱因斯坦发表广义相对论后,考虑到万有引力比电磁力弱得多,不可能在分子、原子、原子核等研究中产生重要的影响,因而他把注意力放在了天体物理上.他认为,宇宙才是广义相对论大有用武之地的领域.
爱因斯坦1915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.这是一个人们完全意想不到的模型.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.以往人们认为,有限就是有边,无限就是无边.爱因斯坦把有限和有边这两个概念区分开来.
一个长方形的桌面,有确定的长和宽,也有确定的面积,因而大小是有限的.同时它有明显的四条边,因此是有边的.如果有一个小甲虫在它上面爬,无论朝哪个方向爬,都会很快到达桌面的边缘.所以桌面是有限有边的二维空间.如果桌面向四面八方无限伸展,成为欧氏几何中的平面,那么,这个欧氏平面是无限无边的二维空间.
我们再看一个篮球的表面,如果篮球的半径为r,那么球面的面积是4πr的2次方,大小是有限的.但是,这个二维球面是无边的.假如有一个小甲虫在它上面爬,永远也不会走到尽头.所以,篮球面是一个有限无边的二维空间.
按照宇宙学原理,在宇观尺度上,三维空间是均匀各向同性的.爱因斯坦认为,这样的三维空间必定是常曲率空间,也就是说空间各点的弯曲程度应该相同,即应该有相同的曲率.由于有物质存在,四维时空应该是弯曲的.三维空间也应是弯的而不应是平的.爱因斯坦觉得,这样的宇宙很可能是三维超球面.三维超球面不是通常的球体,而是二维球面的推广.通常的球体是有限有边的,体积是4/3πr的3次方,它的边就是二维球面.三维超球面是有限无边的,生活在其中的三维生物(例如我们人类就是有长、宽、高的三维生物),无论朝哪个方向前进均碰不到边.假如它一直朝北走,最终会从南边走回来.
宇宙学原理还认为,三维空间的均匀各向同性是在任何时刻都保持的.爱因斯坦觉得其中最简单阶情况就是静态宇宙,也就是说,不随时间变化的宇宙.这样的宇宙只要在某一时刻均匀各向同性,就永远保持均匀各向同性.
爱因斯坦试图在三维空间均匀各向同性、且不随时间变化的假定下,救解广义相对论的场方程.场方程非常复杂,而且需要知道初始条件(宇宙最初的情况)和边界条件(宇宙边缘处的情况)才能求解.本来,解这样的方程是十分困难的事情,但是爱因斯坦非常聪明,他设想宇宙是有限无边的,没有边自然就不需要边界条件.他又设想宇宙是静态的,现在和过去都一样,初始条件也就不需要了.再加上对称性的限制(要求三维空间均匀各向同性),场方程就变得好解多了.但还是得不出结果.反复思考后,爱因斯坦终于明白了求不出解的原因：广义相对论可以看作万有引力定律的推广,只包含“吸引效应”不包含“排斥效应”.而维持一个不随时间变化的宇宙,必须有排斥效应与吸引效应相平衡才行.这就是说,从广义相对论场方程不可能得出“静态”宇宙.要想得出静态宇宙,必须修改场方程.于是他在方程中增加了一个“排斥项”,叫做宇宙项.这样,爱因斯坦终于计算出了一个静态的、均匀各向同性的、有限无边的宇宙模型.一时间大家非常兴奋,科学终于告诉我们,宇宙是不随时间变化的、是有限无边的.看来,关于宇宙有限还是无限的争论似乎可以画上一个句号了.
3、膨胀或脉动的宇宙
几年之后,一个名不见经传的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.弗利德曼宇宙在三维空间上也是均匀、各向同性的,但是,它不是静态的.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.弗利德曼的宇宙最初发表在一个不太著名的杂志上.后来,西欧一些数学家物理学家得到类似的宇宙模型.爱因斯坦得知这类膨胀或脉动的宇宙模型后,十分兴奋.他认为自己的模型不好,应该放弃,弗利德曼模型才是正确的宇宙模型.
同时,爱因斯坦宣称,自己在广义相对论的场方程上加宇宙项是错误的,场方程不应该含有宇宙项,而应该是原来的老样子.但是,宇宙项就像“天方夜谭”中从瓶子里放出的魔鬼,再也收不回去了.后人没有理睬爱因斯坦的意见,继续讨论宇宙项的意义.今天,广义相对论的场方程有两种,一种不含宇宙项,另一种含宇宙项,都在专家们的应用和研究中.
早在1910年前后,天文学家就发现大多数星系的光谱有红移现象,个别星系的光谱还有紫移现象.这些现象可以用多谱勒效应来解释.远离我们而去的光源发出的光,我们收到时会感到其频率降低,波长变长,并出现光谱线红移的现象,即光谱线向长波方向移动的现象.反之,向着我们迎面而来的光源,光谱线会向短波方向移动,出现紫移现象.这种现象与声音的多普勒效应相似.许多人都有过这样的感受：迎面而来的火车其鸣叫声特别尖锐刺耳,远离我们而去的火车其鸣叫声则明显迟钝.这就是声波的多普勒效应,迎面而来的声源发出的声波,我们感到其频率升高,远离我们而去的声源发出的声波,我们则感到其频率降低.
如果认为星系的红移、紫移是多普勒效应,那么大多数星系都在远离我们,只有个别星系向我们靠近.随之进行的研究发现,那些个别向我们靠近的紫移星系,都在我们自己的本星系团中(我们银河系所在的星系团称本星系团).本星系团中的星系,多数红移,少数紫移；而其他星系团中的星系就全是红移了.
1929年,美国天文学家哈勃总结了当时的一些观测数据,提出一条经验规律,河外星系(即我们银河系之外的其他银河系)的红移大小正比于它们离开我们银河系中心的距离.由于多普勒效应的红移量与光源的速度成正比,所以,上述定律又表述为：河外星系的退行速度与它们离我们的距离成正比：
V＝HD
式中V是河外星系的退行速度,D是它们到我们银河系中心的距离.这个定律称为哈勃定律,比例常数H称为哈勃常数.按照哈勃定律,所有的河外星系都在远离我们,而且,离我们越远的河外星系,逃离得越快.
哈勃定律反映的规律与宇宙膨胀理论正好相符.个别星系的紫移可以这样解释,本星系团内部各星系要围绕它们的共同重心转动,因此总会有少数星系在一定时间内向我们的银河系靠近.这种紫移现象与整体的宇宙膨胀无关.
哈勃定律大大支持了弗利德曼的宇宙模型.不过,如果查看一下当年哈勃得出定律时所用的数据图,人们会感到惊讶.在距离与红移量的关系图中,哈勃标出的点并不集中在一条直线附近,而是比较分散的.哈勃怎么敢于断定这些点应该描绘成一条直线呢?一个可能的答案是,哈勃抓住了规律的本质,抛开了细节.另一个可能是,哈勃已经知道当时的宇宙膨胀理论,所以大胆认为自己的观测与该理论一致.以后的观测数据越来越精,数据图中的点也越来越集中在直线附近,哈勃定律终于被大量实验观测所确认.
4、宇宙有限还是无限
现在,我们又回到前面的话题,宇宙到底有限还是无限?有边还是无边?对此,我们从广义相对论、大爆炸宇宙模型和天文观测的角度来探讨这一问题.
满足宇宙学原理(三维空间均匀各向同性)的宇宙,肯定是无边的.但是否有限,却要分三种情况来讨论.
如果三维空间的曲率是正的,那么宇宙将是有限无边的.不过,它不同于爱因斯坦的有限无边的静态宇宙,这个宇宙是动态的,将随时间变化,不断地脉动,不可能静止.这个宇宙从空间体积无限小的奇点开始爆炸、膨胀.此奇点的物质密度无限大、温度无限高、空间曲率无限大、四维时空曲率也无限大.在膨胀过程中宇宙的温度逐渐降低,物质密度、空间曲率和时空曲率都逐渐减小.体积膨胀到一个最大值后,将转为收缩.在收缩过程中,温度重新升高、物质密度、空间曲率和时空曲率逐渐增大,最后到达一个新奇点.许多人认为,这个宇宙在到达新奇点之后将重新开始膨胀.显然,这个宇宙的体积是有限的,这是一个脉动的、有限无边的宇宙.
如果三维空间的曲率为零,也就是说,三维空间是平直的(宇宙中有物质存在,四维时空是弯曲的),那么这个宇宙一开始就具有无限大的三维体积,这个初始的无限大三维体积是奇异的(即“无穷大”的奇点).大爆炸就从这个“无穷大”奇点开始,爆炸不是发生在初始三维空间中的某一点,而是发生在初始三维空间的每一点.即大爆炸发生在整个“无穷大”奇点上.这个“无穷大”奇点.温度无限高、密度无限大、时空曲率也无限大(三维空间曲率为零).爆炸发生后,整个“奇点”开始膨胀,成为正常的非奇异时空,温度、密度和时空曲率都逐渐降低.这个过程将永远地进行下去.这是一种不大容易理解的图像：一个无穷大的体积在不断地膨胀.显然,这种宇宙是无限的,它是一个无限无边的宇宙.
三维空间曲率为负的情况与三维空间曲率为零的情况比较相似.宇宙一开始就有无穷大的三维体积,这个初始体积也是奇异的,即三维“无穷大”奇点.它的温度、密度无限高,三维、四维曲率都无限大.大爆炸发生在整个“奇点”上,爆炸后,无限大的三维体积将永远膨胀下去,温度、密度和曲率都将逐渐降下来.这也是一个无限的宇宙,确切地说是无限无边的宇宙.
那么,我们的宇宙到底属于上述三种情况的哪一种呢?我们宇宙的空间曲率到底为正,为负,还是为零呢?这个问题要由观测来决定.
广义相对论的研究表明,宇宙中的物质存在一个临界密度ρc,大约是每立方米三个核子(质子或中子).如果我们宇宙中物质的密度ρ大于ρc,则三维空间曲率为正,宇宙是有限无边的；如果ρ小于ρc,则三维空间曲率为负,宇宙也是无限无边的.因此,观测宇宙中物质的平均密度,可以判定我们的宇宙究竟属于哪一种,究竞有限还是无限.
此外,还有另一个判据,那就是减速因子.河外星系的红移,反映的膨胀是减速膨胀,也就是说,河外星系远离我们的速度在不断减小.从减速的快慢,也可以判定宇宙的类型.如果减速因子q大于1/2,三维空间曲率将是正的,宇宙膨胀到一定程度将收缩；如果q等于1/2,三维空间曲率为零,宇宙将永远膨胀下去；如果q小于1/2,三维空间曲率将是负的,宇宙也将永远膨胀下去.
表3列出了有关的情况：
表3
宇宙中物质密度 红移的减速因子 三维空间曲率 宇宙类型 膨胀特点
ρ＞ρc q＞1/2 正 有限无边 脉动
ρ＝ρc q＝1/2 零 无限无边 永远膨胀
ρ＜ρc q＜1/2 负 无限无边 永远膨胀
我们有了两个判据,可以决定我们的宇宙究竟属于哪一种了.观测结果表明,ρ＜ρc,我们宇宙的空间曲率为负,是无限无边的宇宙,将永远膨胀下去!不幸的是,减速因子观测给出了相反的结果,q＞1/2,这表明我们宇宙的空间曲率为正,宇宙是有限无边的,脉动的,膨胀到一定程度会收缩回来.哪一种结论正确呢?有些人倾向于认为减速因子的观测更可靠,推测宇宙中可能有某些暗物质被忽略了,如果找到这些暗物质,就会发现ρ实际上是大于ρc的.另一些人则持相反的法.还有一些人认为,两种观测方式虽然结论相反,但得到的空间曲率都与零相差不大,可能宇宙的空间曲率就是零.然而,要统一大家的认识,还需要进一步的实验观测和理论推敲.今天,我们仍然肯定不了宇宙究竟有限还是无限,只能肯定宇宙无边,而且现在正在膨胀!此外,还知道膨胀大约开始于100亿-200亿年以前,这就是说,我们的宇宙大约起源于100亿-200亿年之前.
5、爱因斯坦宇宙模型
根据物理理论,在一定的假设前提下提出的关于宇宙的设想与推测,称为宇宙模型.
著名科学家爱因斯坦于1915年建立了广义相对论的物理理论.这一理论认为,宇宙中没有绝对空间和绝对时间,无论是空间和时间都不能与物质隔开来,空间和时间均受物质影响；引力是空间弯曲的效应,而空间弯曲是由物质存在决定的.爱因斯坦将他的理论应用于宇宙研究,1917年发表了《根据广义相对论的宇宙学考察》的论文,他将广义相对论的引力场方程用于整个宇宙,建立起一种宇宙模型.
当时科学家普遍认为宇宙是静止的,不随时间变化的.虽然在几年前,美国天文学家斯里弗已发现了河外星系的谱线红移(显然这是对静止宇宙的挑战),但由于当时正值第一次世界大战,这一消息并没有传到欧洲.因此,爱因斯坦也和大多数科学家一样,认为宇宙是静态的.爱因斯坦想从引力场方程着手,得出一个宇宙是静态的、均匀的、各向同性的答案.但他得到的解是不稳定的,表明全间和距离不是恒定不变的,而是随时变化的.为了得到一个空间是稳定的解,爱因斯坦人为地在引力场方程中引入一个叫做“宇宙常数”的项,让它起斥力的作用.爱因斯坦得出一个有限无边的静态宇宙模型,称为爱因斯坦宇宙模型.为了便于理解,可把它比喻为三维空间中的一个二维球面：球面的面积是有限的、但沿着球面没有边界,也无中心,球面保持静态状态.几年以后,爱因斯坦得知河外星系退行,宇宙是膨胀的消息后,非常后悔在自己的模型中加了一个宇宙常数项,称这是他一生中犯的最大错误.
参考资料：http://star.jskp.cn/main/docview.aspx?id=453057034