如果三維空間的曲率為零,也就是說,三維空間是平直的(宇宙中有物質存在,四維時空是彎曲的),那麼這個宇宙一開始就具有無限大的三維體積,這個初始的無限大三維體積是奇異的(即“無窮大”的奇點)。大爆炸就從這個“無窮大”奇點開始,爆炸不是發生在初始三維空間中的某一點,而是發生在初始三維空間的每一點。即大爆炸發生在整個“無窮大”奇點上。這個“無窮大”奇點,溫度無限高、密度無限大、時空曲率也無限大(三維空間曲率為零)。爆炸發生後,整個“奇點”開始膨脹,成為正常的非奇異時空,溫度、密度和時空曲率都逐漸降低。這個過程將永遠地進行下去。這是一種不大容易理解的圖像:一個無窮大的體積在不斷地膨脹。顯然,這種宇宙是無限的,它是一個無限無邊的宇宙。
三維空間曲率為負的情況與三維空間曲率為零的情況比較相似。宇宙一開始就有無窮大的三維體積,這個初始體積也是奇異的,即三維“無窮大”奇點;它的溫度、密度無限高,三維、四維曲率都無限大。大爆炸發生在整個“奇點”上,爆炸後,無限大的三維體積將永遠膨脹下去,溫度、密度和曲率都將逐漸降下來。這也是一個無限的宇宙,確切地說是無限無邊的宇宙。
那麼,我們的宇宙到底屬於上述三種情況的哪一種呢?我們宇宙的空間曲率到底為正,為負,還是為零呢?這個問題要由觀測來決定。
廣義相對論的研究表明,宇宙中的物質存在一個臨界密度pc,大約是每立方米三個核子(質子或中子)。如果我們宇宙中物質的密度p大於pc,則三維空間曲率為正,宇宙是有限無邊的;如果p小於pc,則三維空間曲率為負,宇宙也是無限無邊的。因此,觀測宇宙中物質的平均密度,可以判定我們的宇宙究竟屬於哪一種,究竟有限還是無限。
哈勃望遠鏡拍攝到的深空宇宙此外,還有另一個判據,那就是減速因子。河外星係的紅移,反映的膨脹是減速膨脹,也就是說,河外星係遠離我們的速度在不斷減小。從減速的快慢,也可以判定宇宙的類型。如果減速因子q大於1/2,三維空間曲率將是正的,宇宙膨脹到一定程度將收縮;如果q等於1/2,三維空間曲率為零,宇宙將永遠膨脹下去;如果q小於1/2,三維空間曲率將是負的,宇宙也將永遠膨脹下去。
我們有了兩個判據,可以決定我們的宇宙究竟屬於哪一種了。觀測結果表明,p<pc,我們宇宙的空間曲率為負,是浩瀚的宇宙無限無邊的宇宙,將永遠膨脹下去!不幸的是,減速因子觀測給出了相反的結果,q>1/2,這表明我們宇宙的空間曲率為正,宇宙是有限無邊的,脈動的,膨脹到一定程度會收縮回來。哪一種結論正確呢?有些人傾向於認為減速因子的觀測更可靠,推測宇宙中可能有某些暗物質被忽略了,如果找到這些暗物質,就會發現p實際上是大於pc的。另一些人則持相反的看法。還有一些人認為,兩種觀測方式雖然結論相反,但得到的空間曲率都與零相差不大,可能宇宙的空間曲率就是零。然而,要統一大家的認識,還需要進一步的實驗觀測和理論推敲。今天,我們仍然肯定不了宇宙究竟有限還是無限,隻能肯定宇宙無邊,而且現在正在膨脹!此外,還知道膨脹大約開始於100億~200億年以前,這就是說,我們的宇宙大約起源於100億~200億年之前。
三維空間
三維空間,也稱為三次元、3D,日常生活中可指由長、寬、高三個維度所構成的空間。 在這裏“維”表示方向。由一個方向確立的空間模式是一維空間,一維空間呈現直線性,隻被“長”的一個方向確立。由兩個方向確立的空間模式是二維空間,二維空間呈麵性,被“長、寬”兩個方向確立。同理,三維空間呈體性,被“長、寬、高”三個方向確立。
太空的膨脹是如何進行的
太陽是太陽係的中心,太陽係中行星都繞著太陽旋轉。銀河也有中心,它周圍所有的恒星也繞著銀河係的中心旋轉。那麼太空有中心嗎?一個讓所有的星係包圍在中間的中心點?
看起來應該存在這樣的中心,但是實際上它並不存在。因為宇宙的膨脹一般不發生在三維空間內,而是發生在四維空間內的,它不僅包括普通三維空間(長度、寬度和高度),還包括第四維空間——時間。描述四維空間的膨脹是非常困難的,但是我們也許可以通過推斷氣球的膨脹來解釋它。