物理世界奇遇记5

汤普金斯先生参观了一个封闭的宇宙

在海边酒店的第一个晚上，汤普金斯先生和老教授谈论宇宙学，晚饭后和女儿谈论艺术。最后，他回到自己的房间，瘫倒在床上，用毯子蒙住了头。在他疲惫的头脑中，波提切利、邦迪、达利和霍耶、勒迈特和拉方丹都混在一起了。最后，他终于睡着了...

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波提切利，也翻译成波提切利，1444？~ 1510年，意大利著名画家。邦迪，1919 ~，英国数学家和天文学家，1948年首次提出“稳态(稳态)宇宙理论”。根据这个理论，宇宙没有起点，没有终点，并且永远存在。

太空中星系的密度永远不会改变。

达利:达利，又名达利，西班牙超现实主义画家。

霍伊尔:霍伊尔，1915 ~，英国天文学家，稳定理论的支持者。

勒迈特:比利时天文学家勒梅特，1894 ~ 1966年，于1927年提出宇宙

大爆炸理论。

拉方丹:拉方丹，又名拉方丹，1621 ~ 1695，法国诗人

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半夜的时候，他突然醒来，惊讶地发现他不是躺在舒适的弹簧床上，而是躺在坚硬的东西上。他睁开眼睛，发现自己躺在一块大石头上——他起初以为那是海岸上的一块石头。后来，他发现这实际上是一块非常大的岩石，直径约10米。它悬浮在太空中，看不到任何支撑它的东西。岩石上覆盖着一些绿色的苔藓。在一些地方，一些小树从岩石的裂缝中生长出来。岩石周围的空间有一些模糊的光线，非常模糊。事实上，空气中的灰尘比他任何时候看到的都多，甚至在记录美国中西部沙尘暴的电影中，灰尘也不多。他设法用手帕捂住鼻子，然后才感到轻松多了。然而，在周围的空间里有比灰尘更危险的东西。通常，一些和他的头一样大甚至更大的岩石会飞过他的岩石附近的空间，偶尔有一两个会撞到大岩石，然后会发出奇怪的雷鸣般的撞击声。他还注意到一两块和他差不多大的石头漂浮在离他不远的地方。整个过程中，他小心翼翼地环顾四周，同时牢牢地抓住岩石上突出的棱角，生怕从岩石上掉下来，掉进下面的尘埃深渊。然而，他很快鼓起勇气，试图爬到岩石的边缘，看看是否真的没有什么东西支撑着它。当他像这样爬行时，他非常惊讶地注意到他没有摔倒，即使他爬行的距离超过了岩石周长的1/4，他仍然被牢牢地吸在岩石表面。在他曾经呆过的地方的对面，有一个由松散的石头组成的背。从后面看，他发现空间里真的没有什么东西可以支撑这块石头。然而，更让他震惊的是，他的朋友老教授的苗条身影出现在昏暗的灯光下。他显然是低着头站着，在他的袖珍笔记本上做一些记录。

现在，汤普金斯先生开始慢慢明白了。他记得当他在学校的时候，人们告诉他地球是一个巨大的圆形石头，在太空中围绕太阳*旋转。他还记得一张照片，照片上两个人站在地球的对面。顺便说一下，他的岩石是一个非常小的行星，它吸引着它表面的一切，而他和老教授是这个小行星上唯一的两个居民。这多少安慰了他:至少没有摔倒的危险！

“早上好。”汤普金斯先生说他想转移老人对计算的注意力。

教授从笔记本上抬起眼睛。“这里没有早晨，”他说。“这个宇宙中既没有太阳，也没有闪亮的星星。幸运的是，一些化学过程正在这里的各种物体表面发生。否则，我无法观察到这个空间的扩展。”他说着，又回到他的笔记本上。

汤普金斯先生感到非常不高兴，因为在整个宇宙中只能找到一个活着的人，而且这个人非常傲慢！出乎意料。一颗非常小的流星对他帮助很大。这块石头撞上了教授的笔记本，并把它撞翻了，导致它离开了他们的小行星，快速地飞向太空。“现在你再也见不到它了。”汤普金斯先生说，因为笔记本电脑正在向太空深处飞行，它们变得越来越小。

“恰恰相反，”教授回答，“你看，我们所处的空间不是无限的。哦，对了，我明白了，你在学校学到的空间是无限的，两条平行线永远不会相交，等等。然而，这是不可靠的，无论是对我们现在所处的空间，还是对其他人居住的空间。当然，其他人生活的空间真的很大。据科学家估计，它目前的直径约为16000艾(艾代表1018公里)，这对普通人来说真是无限的。如果我的笔记本在那里丢了，那要花很长很长的时间才能飞回来。然而，这里的情况完全不同。在笔记本从我手中飞走之前，我只是计算出我们空间的直径只有大约8公里。尽管它正在迅速扩张。我估计笔记本不到半小时就会飞回来。"

“这个，”汤普金斯先生大胆地问，“你的意思是你的笔记本正沿着一条直线做一次环形旅行，就像你上次说的，从地球的北极开始……”

"...而是降落在南极？是的，”教授回答道，“没错。现在，同样的事情也发生在我的笔记本上，除非它撞上了路上的另一块石头，偏离了直线轨道。”

“这和我们的小行星想要把它拉回来的重力有什么关系吗？”

“不，这根本无关。就我们星球的引力而言，它小到足以让笔记本电脑进入太空。拿着望远镜，看看你是否还能看到它。”

汤普金斯先生把望远镜放在眼睛上。透过模糊了整个视野的灰尘，他终于看到教授的笔记本在太空中飞得很远。他有点惊讶地发现，在那个距离，所有的东西似乎都被漆成粉红色，甚至笔记本。

“啊，”过了一会儿汤普金斯先生喊道，“你的笔记本飞回来了。我看到它越来越大。”

“不，”教授说，“它还在飞得很远。你看到它变得越来越大，就好像它在飞回来一样——这只是一种幻觉，是由封闭的球形空间对光线的独特聚焦效应造成的。让我们想象一下，来自地面的光一直沿着地球的曲面行进——例如，由于大气的折射。在这种情况下，如果一个运动员从我们身边跑开，那么无论他跑多远，我们都可以在他整个旅程中的任何时候用高功率望远镜看到他。如果你观察地球，你会看到球体上非常直的线——经线——首先从地球的一个极点发散，但是在穿过赤道之后，它们开始向相反的极点会聚。假设光线沿着子午线传播，而你在一个极点上，那么你会看到一个离你很远的人在穿越赤道之前总是变得越来越小。然而，一旦他穿过赤道，你会看到他越来越大，所以你会认为他在往回走，但他背对着你。当他到达另一个极点后，你会看到他变得很大，就像他站在你身边一样。然而，你不能触摸他，就像你不能触摸球面镜中的图像一样。根据这个二维类比，你可以想象在这个奇怪弯曲的三维空间中，光会发生什么。我认为笔记本的形象已经非常接近我们了。”

事实上，当汤普金斯放下望远镜时，他还能看到他的笔记本离他只有几米远。然而，这个笔记本现在看起来真的很奇怪！它的轮廓模糊不清，好像被水浸泡过。很难认出教授写在上面的公式。整个笔记本就像一张焦距不正确、显影不好的照片。

“现在你看，”教授说，“这只是一个笔记本的图像。当光线穿过半个宇宙时，这个图像被严重扭曲了。如果你不完全相信这一点，你应该注意到你可以通过你的笔记本看到它后面的石头。”

汤普金斯先生试图抓住笔记本，但他的手毫无阻碍地穿过笔记本的图像。

“笔记本本身，”教授说，“现在在这个宇宙中非常接近我们对面的极点。你在这里看到的只是它的两个图像——第二个图像已经在你身后了。当两个图像重合时，真正的笔记本就在相反的两极。”

然而，汤普金斯先生没有听教授的话。他陷入了沉思，试图回忆初级光学教科书中物体是如何被凸面镜和透镜成像的。当他终于想起时，那两尊雕像已经在后退了。

"但是，是什么扭曲了空间并产生了这些有趣的结果呢？"他问教授。

“这是由于可测质量的存在，”——这是教授的回答，“当牛顿发现万有引力定律时，他认为引力是一种普通的力，例如，两个物体之间的弹簧张力产生的力属于同一类型。然而，这总是不能解释一个不可理解的事实:所有的物体，不管有多重或多大，在重力的作用下，总是有相同的加速度，并且总是以相同的方式运动——当然，这意味着你忽略了空气等的摩擦。后来，爱因斯坦第一个明确指出，定性物体最重要的功能是在空间中产生曲率，所有物体在引力场中运动的原因仅仅是因为空间本身是弯曲的...但是我认为你很难理解，因为你没有足够的数学知识。”

“这是真的，”汤普金斯先生说，“但是，请告诉我，如果没有材料，那么我在学校学的几何是成立的吗？平行线永远不会相交吗？”

“它们不会相交，”教授回答。"然而，没有任何材料可以证实这一点."

"嗯，也许连欧几里得都不存在，那么我们能产生绝对空间的几何吗？"

然而，教授显然不喜欢这种形而上学的讨论。

这时，笔记本的图像已经沿着原来的方向飞得越来越远，然后又开始往回飞。现在它变得如此之多，以至于几乎不可能认出它。据教授说，这是由这次环绕整个宇宙的光引起的。

“如果你再回头看，”他对汤普金斯说，“你会看到我的笔记本在完成环球旅行后终于回到了我们身边。”这时，他伸手拿过笔记本，放在口袋里。“你看，”他说，“这个宇宙中有如此多的灰尘和石头，我们几乎看不到我们周围的世界。你能在你周围看到的无定形阴影可能是我们自己和我们周围物体的图像。然而，它们被灰尘和空间曲率的不规则性严重损坏，连我都分不清是哪个物体造成的。”

"在我们曾经居住的大宇宙中，有同样的效应吗？"汤普金斯先生问道。

“可能不会——如果我们关于宇宙密度达到临界值的说法是正确的，那么就不会有。然而，”教授眨眨眼补充道，“你必须承认我们一直在考虑这种事情。太荒谬了。你同意吗？”

此时，天空发生了巨大的变化。现在周围似乎没有那么多灰尘了，所以汤普金斯先生取下了一直盖在他脸上的手帕。飞过的小石块越来越少，撞击它们所需的能量也少得多。最后，他在开始时注意到的和它们的岩石一样大的岩石也离开了它们很远，飞走了。

“是的。现在的生活真的舒服多了，”汤普金斯先生想。“我一直担心那些飞石会击中我。你能解释一下我们周围的变化吗？”他转向教授说。

“这很容易。我们的小宇宙正在迅速膨胀。自从我们站在这里，它的直径已经从8公里扩大到160公里。我一到这里，就注意到远处物体的膨胀变成了红色。”

"顺便说一下，我还看到在很远的地方，一切都是红色的."汤普金斯先生说。"但为什么这是通货膨胀的迹象呢？"

“你有没有注意到，”教授说，“一列火车向你驶来，汽笛声很高，当火车经过你身边时，汽笛声就低得多了？这就是所谓的多普勒效应:音调(频率)与声源的速度有关。当整个空间扩张时，其中的每一个物体都会以与它们和观察者之间的距离成正比的速度飞离。因此，从这些物体发出的光会变成红色。在光学上，这相当于相对较低的频率。一个物体离我们越远，它移动得越快，因此，在我们看来它就越红。我们曾经居住的美丽宇宙也在膨胀。在那个宇宙中，这种变红，我们称之为宇宙红移，使天文学家能够测量非常遥远的星系的距离。例如，最近的星系，即所谓的仙女座星系，显示出0.05%的红移，对应如此大红移的距离需要80万年才能让光传播。然而，一些星系已经达到了现代望远镜所能达到的极限。它们显示出大约15%的红移，这相当于几亿光年。根据推测，这些星系离大宇宙的赤道几乎有一半的距离，因此地面上天文学家已知的空间总量已经占了宇宙总体积的相当大的一部分。目前，其通货膨胀率约为每年0.00000001%。我们所处的小宇宙正在以更快的速度膨胀，其半径每分钟增加约1%。”

“这种扩张永远不会停止吗？”汤普金斯先生问道。

“当然会停止，”教授说。“然后它会开始收缩。每个宇宙都在非常小的半径和非常大的半径之间脉动。对于那个大宇宙来说，脉动周期相当长，相当于几十亿年。然而，我们这个小宇宙的脉动周期非常短，只有大约两个小时。在我看来，我们现在观察的是膨胀到最大的状态。你注意到现在有多冷了吗？”

事实上，它充满了宇宙的热辐射。由于它现在以非常大的体积分布，它只能为他们的小行星提供非常少的热量，所以周围的温度大约在冰点以下。

“我们非常幸运，”教授说。“这里的原始辐射就足够了，即使扩展到这个阶段也能提供一些热量。否则，天气可能会非常冷，以至于岩石周围的空气凝结成液体，把我们都冻死。然而，它已经开始收缩，并将很快变得更热。”

汤普金斯先生向空中望去，发现远处所有物体的颜色都在从红色变成蓝色。根据教授的解释，这是因为所有的天体都开始向它们移动。他记得教授刚才做的类比，即将到来的火车的汽笛声听起来更高了，他害怕得发抖。

“既然现在一切都在收缩，难道我们不应该认为这个宇宙中所有的大岩石很快就会聚集在一起，把我们碾成碎片吗？”他焦急地问教授。

“的确如此，”教授平静地回答，“但我认为，在这发生之前，温度会变得非常非常高，以至于我们两个都会离解成独立的原子。这是我们伟大宇宙终结的缩影——一切都混合在一起形成一种统一。非常热的气体球不会开始出现新的生命，直到它开始再次膨胀。”

“哦，我的上帝！”汤普金斯先生低声对他说，“你说我们需要几十亿年才能在那个大宇宙中见到宇宙的末日，而在这里，末日对我来说来得又快又快！我已经觉得太热了，尽管我只穿着睡衣。”

“你最好不要脱下来，”教授说。“这没用。你不妨躺下来，尽可能长时间地观察。”

汤普金斯先生没有回答。他在热空气中无法呼吸。灰尘变得非常密集，完全包围了他。他觉得自己好像在温暖柔软的毯子里打滚。他做了一个动作来解放自己，所以他的头暴露在寒冷的空气中。他深吸了一口气。

“到底是怎么回事？”他想问教授发生了什么事，但是到处都找不到他。相反，在朦胧的晨光中，他认出了熟悉的卧室里各种家具的轮廓。他躺在床上，挣扎着在毯子里打滚，最后设法从毯子里抽出一只手。

“感谢上帝，我们仍在扩张！”然后他起床，洗了个澡，刮了胡子。

乔治·加莫夫