怎样理解宇宙的“有界无边”

怎样理解宇宙的“有界无边”
一、传统的宇宙观
在牛顿时代，人们对宇宙的理解是无边无际，无始无终，宇宙独立存在于物质之外。宇宙像个无限大的盒子，里面可以存放无限多的物质，不管有物质没物质，宇宙都是存在的，称之为“绝对时空”。

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当时迪卡尔建立了三维坐标系，我们在中学都学过。XYZ三个轴代表上下、左右、前后三个方向，互相垂直，三个轴可以笔直地通往无限远。
中国古人也是这样理解，“往古来今谓之宙，四方上下谓之宇”，比牛顿的宇宙观还先进，已经把时间轴放进了宇宙观里面，而且“四方上下”，恰好也是XYZ三个轴。
总之，古人，包括现代人中的99.9%仍然是这样理解宇宙。但从20世纪开始，物理学界的宇宙观已经发生了翻天覆地的变化，时间不再是无始无终，而是从宇宙大爆炸开始算的，到现在不过一二百亿年，空间也不再是无边无界，而是“有界无边”。
这些概念非常难以理解，完全不符合常识。许多极聪明的人都认为完全是胡扯，比如文笔极佳的姚文元先生之流，文革中组织批判过这些“资产阶级谬论”，到现在大多数人们也还是不相信，即使勉强相信但无法理解。
二、对无限宇宙的质疑
其实十九世纪的科学家就已经对无限宇宙提出过质疑，当时有两个著名的难题无法解释。
第一个叫做“光度佯谬”，这是德国哲学家奥尔伯特提出来的，他说：如果宇宙是无限的，星系均匀地遍布整个宇宙，每个星系都放射光芒，那么当人们遥望天际时，整个天空应该是灿烂辉煌，但实际并非如此。
第二个叫做“引力佯谬”，德国物理学家西利格尔指出，如果宇宙存在无限多的天体，并且这些天体具有无限大的质量，那么它们作用在宇宙间任何一个物体上的万有引力应该是无限大，在这种情况下，物体应该获得无限大的加速度，但实际上并非如此。
这些“佯谬”是科学家所无法破解的，既然无限宇宙有可能不对头，那么宇宙会不会是有限的呢？
三、从三维空间看二维空间
怎样理解宇宙的“有界无边”？下面这个例子很

能说明问题。
假如一个极微小的虫子生活在二维空间中，它不会飞，只会爬，在它的世界里，只有前后左右，没有上下的概念，那么它就会认为世界就是这样一张平铺的纸面，无论向哪个方向都笔直地通向无限远，一去不复返。
而我们生活在三维空间中，可以居高临下地俯视这只可怜的虫子，我们实际上看到，这只虫子不过在一个大西瓜上爬，在它眼界中平铺的世界，实际上是弯曲的，是球形的，但虫子太小，看不出来。

其实这跟古人看地球没什么两样，那时我们也以为大地就是这样四方无限平铺的，我们人类的眼光很有限，根本看不出我们的大地实际上是个球形。
这只虫子如果笔直地朝一个方向（比如向东）爬过去，它以为离“西”越来越远，不料几天之后，它居然转了一圈，又从西边爬了回来，回到原位置，那时虫子将陷入迷茫，不知如何理解。
古人实际上还不如虫子，那时中国人最远也不过是到西天去取经，即使到了明代，郑和船队最远也不过到了非洲，根本就没有转一圈绕回来。所以他们从来没产生过迷茫，没怀疑过“天圆地方”之说。
现在我们当然已经完全清楚地球是怎么回事了，而地球恰恰就是“有界无边”的一个世界，说它“有界”，是说地球有大小，有半径，，说它“无边”，意思是你无论朝哪个方向走也找不到它的边儿。
古人则认为大地是有边的，那就是“四海”，大地是悬浮在四海之间的一块平板陆地，到了海边，前面就无法再走了。至于海的那边，他们连想都没想过。

四、从四维时空看三维宇宙
在爱因斯坦的相对论中，他把时间也算成特殊的一维，加在三维世界上，就构成了四维宇宙。在他的相对论里，这个四维时空是弯曲的，是一个闭合空间。
既然我们在三维世界能理解小虫子的二维世界中的“有界无边”，只要往上升一维，同样也就能理解从四维时空中俯视三维宇宙的“有界无边”。
也就是说，在四维时空中，宇宙是有限的，有大小，有半径的，即所谓“有界”，但你无论朝哪个方向走，因为时空弯曲的缘故，最终还是回到原点。我们找不到宇宙的边在哪儿，这就是“无边”。
五、时空弯曲
我们看虫子的二维世界，很容易理解它以为的那个平面实际上是弯曲的，而虫子自己永远无法理解。
同样，如果有一种能生活在四维时空的生物，他们看我们的三维世界，也能看出弯曲来，而我们自己却无法理解。
我们假定我们的坐标轴是笔直的，但什么叫“笔直”就不那么简单了，在数学上可以随便定义，但在物理中，在实际测量时，你必须借助一个东西才能得到“笔直”，这个东西不是别的，就是光线。而我们的整个空间概念都建立在光线的上面，光线就是笔直的标准。
不错，在一般的情况下，光线都是笔直的。但爱因斯坦认为，当光线经过极大引力场时，它会弯曲。他不光是说说，而且经过计算，预言当日蚀时，我们会看到太阳背后的，本来看不到的一颗恒星，这就能证明光线在太阳的引力下弯曲了，连弯曲多少他都计算出来了。
果然，后来天文学家真的在爱因斯坦预言的位置上看到了那颗本来看不到的恒星，大家不得不承认光线是可以弯曲的。
后来天文学家又发现了黑洞，其质量大得不可想象，引力当然也大得不可想象，引力越大，光线就弯曲得越厉害，以至于黑洞里面往外发射的光线弯了180度，又拐回去了。也就是说，它的引力大得连光线都射不出来，所以它就成了黑洞。黑洞实际上并不是一个洞，而是一种天体，只不过你看不到它，因为它发不出光线来。
但光线是笔直的标准，连光线都不笔直了，你还拿什么做标准去测量宇宙？所以光线弯曲这句话也可以换个方式说，光线还是笔直的，只不过时空弯曲了。这两种说法在数学上是等效的，你分不出它们有什么区别。

所以，如果我们依然以光线做为测量标准，只好认为时空被引力场拉得弯曲了。
好比我们在大海上航行，一般都是沿着一条直线前进，这是最短路径。在船员看来，我们走的是一条直线，但在宇航员看起来，船在球面上航行，走的实际上是一条曲线。
宇航员说，那艘船走的是曲线，永远走不了直线，船员也可以说，我们走的还是直线，只不过空间被弯曲了。这不过是两种等效的说法而已。
六、时空弯曲与宇宙“无边”
地球就是一个“有界无边”的天体，而我们的宇宙也一样，只不过要在四维时空中来想象。
既然四维时空是弯曲的，就像地球一样，是没有边的。我们即使看准一个方向照直走，最终结果还是要回到原点来，不可能找到宇宙的边。
有一位物理学家，用一个被蛀虫蛀得满是隧道的苹果来比喻宇宙的“有界无边”，你以为你在苹果中照直前进，实际上因为隧道的弯曲，你不由自主地就走成了一条弯曲的路径，最终回到出发原点。
有人质疑说，既然宇宙是有限的，那么宇宙外面是什么？现在我们明白了这个道理，就可以回答他。宇宙虽然有限，但它没边，既然找不到边儿，当然也就没有“宇宙外面”了。
当然，苹果是有外面的，而宇宙并不是苹果，只不过用三维的苹果打比方来形容四维时空而已。只是借这个道理来说明，既然时空弯曲，光线弯曲，所以你永远不可能走出宇宙，只能是绕圈子。
七，人类有没有可能站在四维时空中俯视三维空间？
我们打了许多比方，但读者还是很难理解时空弯曲，以及宇宙的“有界无边”。因为我们还是生活在三维空间里，无法直接感受到四维时空，所以也没办法在三维空间中举例来说明四维里的事情，在这里，所有的例子都是拙劣的，不恰当的，不准确的。你只能做数学想象去推广。
我们在前面讲过，三维空间中的人可以俯视二维空间中的小虫子，所以我们可以理解虫子的空间弯曲。那么我们自己有没有可能跳出三维空间，站在四维时空的宇宙中，俯视我们的同类？
这就要考察多出来的那一维是什么？是时间。我们为什么无法感受到四维时空，是因为我们跑得太慢了，所以感受不到时间在宇宙中起的作用。
比如那只西瓜上的虫子，为什么感觉不到西瓜是圆的？一是它太小，主要还是它跑得太慢，好几天才爬一点儿，当然看不出来。假如它几秒钟就能绕西瓜转一圈，马上就能感觉出来西瓜不是个无限大的平板，它眼前的“地平线”后来不断有新的“地面”转过来，几秒钟又转回了原来出发的地方，它就能清楚地感觉到西瓜其实是圆的。
我们人也是一样，跑得太慢，别说日行千里的快马，即使坐飞机也还是飞得太慢，飞得太低，跟虫子在西瓜上爬没什么区别。如果我们坐宇宙飞船，升入太空，一个多小时就绕地球一圈，当然能感觉到它是个球体。
而要感知四维时空，就必须大大加快速度，快到什么程度呢？要能跟光速相比拟才行！宇宙飞船一秒钟飞十公里左右，它的百倍，一千公里？或千倍，一万公里？都不够快，起码也得万倍，一秒钟飞十万公里，才能跟一秒钟30万公里的光速相比拟。当然，实际上我们人类的飞船不可能飞那么快，起码在可见的未来是这样。
不过我们地球上也有飞得这么快的东西，那就是高能物理实验室中的粒子，确有能达到每秒几万，几十万公里的速度，当然不会超过光速。物理学家已经测出，这种粒子确实呈现出爱因斯坦所预言的相对论效应，比如时间变慢，寿命变长，长度缩短等等，而这些效应都跟相对论中的时空弯曲有数学关系。
如果有超人在太空中以这样的速度飞行，我想大概能感觉出时空的弯曲。当然，这只是幻想。我们人类为什么无法跳出三维空间以外去感受四维？因为我们不是超人。