一、宇宙的边界问题

宇宙是有限的、还是无限的？这是一个很难以回答的问题。从古时起，人们就开始思考这个问题，至今尚无定论。因为无论认为宇宙是有限的、还是无限的，人们都无法拿出足够的证据和理由说服对方。自然学者和哲人们关于这一问题探索和争议的历史，几乎和人类文明史一样悠长。

在传统的观念中，一般认为宇宙是无限的。所谓无限，它包涵两方面的含义，一是指宇宙空间无限广阔，没有边界；二是指宇宙的诞生时间无限久远，没有起点。现在人们通过逻辑推理已经证明，如果宇宙是无限的，那么，奥伯斯的天空就应该永远明亮起来，地球上不应该有黑夜的存在；显然，这是一个否定性的结论。既然如此，宇宙就应该是有限的了，然而，人们又会面临另一个难题，人们同样无法回答宇宙诞生之前发生了什么？在宇宙的边界之外又是怎样的一种存在？

追溯人类宇宙观的形成，它离不开基本的天文观测事实。从古代到现代，随着科学技术的发展和进步，人们探测宇宙的手段，就像一把可以无限伸缩的量天尺，一节一节地向前延伸，把人类探索的目光一步步地引向了宇宙的深处。

在古代，由目测形成了最原始的天地宇宙观；1610年，伽利略发明望远镜，人类第一次有幸看到地球以外的事物，月球的环形山、金星的盈亏和木星的卫星，人类由此把宇宙的概念扩大到了太阳系。当科学家们在望远镜中弄清了横跨苍穹的银河，竟是由几千颗恒星组成的时候，人类才真正意识到自己的渺小，认识到我们赖以栖息的地球，只不过是宇宙中的沧海一粟。当大口径望远镜牵引着人的目光继续向宇宙深处延伸的时候，人类的视野再一次被放大，呈现在我们面前的是无数类似银河系一样的宇宙岛，它们在宇空中组成了气泡状宇宙大尺度结构。最后在射电望远镜的帮助下，人类的视界拓展到一百亿光年以外，人们的理性思维也追溯到了宇宙的尽头，看到了由类星体演绎的宇宙演化开端时的情景，这就是我们现在所认识宇宙的边缘和起点。

任何理性思维都是以一定的客观事实为基础的，在人类文明发展的各个阶段，基于不同的观测事实，形成了各自不同的宇宙观。

在古希腊，毕达哥拉斯派的宇宙就是一个球形的、和谐有序的所在。亚里士多德—托勒密的宇宙体系被描绘成一个玲珑剔透的水晶球，地球位于宇宙的中心，静止不动；月亮、水星、金星、太阳、火星、木星、土星依次在天空排列，最外层是恒星天。因此，恒星天就是宇宙的边界，在它之外就没有空间了。

到了牛顿时代，人们开始接受无限无边的观点，认为宇宙的体积是无限的，没有空间边界。牛顿把这种宇宙比喻为一个无边的大箱子，无数恒星均匀地分布在这个既无限又空虚的大箱子里，彼此间靠万有引力联系着。

进入二十世纪，爱因斯坦提出了广义相对论，他认为宇宙是一个“无界而有限”“有限而闭合”的四维连续体。所谓“有限”、“无界”是指我们的宇宙空间是三维的黎曼空间，它的大小有限，光线在这个空间内的传播途径是弯曲的，始终不会有它的终点，即这个空间没有边界。

二十一世纪的今天，质能场交换论给我们送来了一个全新的时空理念。新时空宇宙学理论认为，宇宙从诞生的那一刻起演化至今，宇宙中的物质总量是有限的，由于宇宙的空间量度依赖于物体的质能场而存在，所以宇宙在空间上也是有限的。由于宇宙空间的性质依赖于物质质量场的存在形态，而整个宇宙的质量场又形成了自我封闭状态，所以宇宙的空间性质是闭合的。在闭合的宇宙之外，由于没有任何形式的质量场存在，空间度量单位处在无限舒张状态，所以这是一个没有实在空间意义的区域，时间都是停止的。实际上，在宇宙的原点，物质尚未形成之前，宇宙中的原始能量就存在于这样的虚无空间之中。因此上说，宇宙在空间上是有限的、闭合的，在宇宙的边界之外，时间和空间都不存在。

如何理解这个既有限、又闭合的宇宙呢？如若处在宇宙的边缘，是否能冲出宇宙的这个蛋壳，飘荡于宇宙之外呢？

古罗马的原子论者卢克莱修在他的长诗《物性论》中，就曾提出过这个问题。如果宇宙是有限的，假设有个人走到宇宙的边缘，向外猛掷一支飞矛，那么试问：飞矛将飞向哪里呢？

无疑，这个著名的“飞矛实验”对当时经典的有限宇宙模型发出了诘难。新时空宇宙模型又是如何解决这一问题的呢？还是让我们做一个想象中的气球实验。

首先我们把宇宙比作一个气球。这样的假设在大爆炸宇宙学说中，被成功地运用于解释宇宙的膨胀现象，即处在气球膜上的观察者会发现，当气球充气膨胀时，膜上的其他点都在彼此远离，发生着所谓的天体“退行”行为。

在本实验中，我们不站在气球膜上，而是把整个宇宙都放在气球之内，气球膜就是宇宙的边界。进一步假设临近气球膜——宇宙边界的天体就是银河系——太阳系——地球，而你则是一名宇航员，驾驶着光子火箭径直地向宇宙边界冲去。

你以为你可以跑到宇宙的边界之外了吗？其实那是不可能的，即使你驾驶的火箭具有足够的速度，顶多能在宇宙膜内部向外撞出一个凸起，之后你就会在宇宙膜的弹力——物质质量场的作用下，折回而转向他处，包括光线在内，也在偏转弯曲，而你却不觉得，仍以为自己始终朝着一个方向前进。如果你有足够的能量和时间，你的火箭就有可能像麦哲伦的船队作环球旅行一样，绕宇宙的边缘走一圈，最后又回到出发点我们的银河系。而整个过程你丝毫察觉不到宇宙空间是弯曲的，因为物质场在弯曲中形成了自我封闭状态。地球—太阳系—银河系作为宇宙组成的一部分，人类无法判断自己在宇宙中所处的位置，因为宇宙场的作用是处处平权的，它会使你产生一种宇宙无限大的感觉。

这就是我们的宇宙，一个有限而又有界的宇宙。

二、宇宙的大尺度结构

1. 宇宙大尺度结构的发现

二十世纪，基于人们对宇宙演化的认识，在七十年代以前，天文学家们以为宇宙在大尺度上应呈现出均匀性和各向同性。哈佛 — 施密松天体物理中心（CfA）的盖勒和赫克拉小组首先选择了一薄片状空间，意在观测星系在其中分布的情形。

在开始巡查时，盖勒和她的同事们并未希望见到宇宙中大尺度有序状态的证据。事实上，他们原来想象的是巡天工作将揭示出一个匀称纹理的宇宙。相信他们将看到星系和星系团均匀地分布在天空，就像少量的葡萄干均匀地分布在葡萄干面包里那样。然而，CfA小组实际看到的却是星系分布的稀奇式样，星系和星系团不是随机（杂乱）分布的，而是表现为组成长的、纺锤式的弦（带子）和宽的伸展了的书页，也有成为巨大的物质气泡状的分布态势。

CfA小组被他们看到出奇景象惊呆了。与浓密地分布几百万个星系的空间区域对比着的是空无一物的天区，好像所有原来在里面的星系全被吸管吸出去了一样，他们把它称之为空洞或巨洞。

1989年，盖勒和赫克拉把他们的巡天工作延伸到包括几千个星系的天区，这时他们又观测到一个新的特殊景色：一个在空间延伸超过5亿光年的星系“巨壁”。这一叫做长城的宇宙栅栏，是宇宙中存在的最大的单一结构特色。

经过多年积累的观测资料，我们的本星系群被证明是一个叫作本超星系团的一部分，该超星系团在空间伸展1亿光年，室女座星系团位于其中心。人们还发现了许多其他超星系团，带着它们穿起来的“念珠”，交叉在宇宙中。

今天，在大量的观测资料基础上，国际天文界基本接受了这样一种事实：星系在宇宙空间的分布，具有聚集成巨大纤维状和薄片状结构的倾向，在纤维和薄片之间是巨大的空洞，众星系构成了空洞的壁，巨壁和空洞共同构成了气泡状宇宙大尺度结构。

2. 星系间的相互作用

星系的非均匀性分布，使宇宙表现出了大尺度结构特征，那么，气泡状结构是如何形成的呢？本文认为，宇宙大尺度结构的形成与星系间的相互作用有关。

在天体力学中，物理学家们都是运用牛顿的万有引力定律来讨论天体间相互作用的。在以往的观念中，天体的质量场呈球状对称分布，万有引力作用效应各向同性，作用强度在径向方向递减。但是，在计算星系间万有引力的作用时，这种观点就出现了偏差，因为它忽略一个关键性的问题，这就是星系质量场的运动形态。在宇宙中，由于星系体积庞大，以光年为计量单位，半径都在几百至几万光年以上，而万有引力作用又只能以光速传播，所以当星系发生旋转时，在视直径上质量场各点的运动并不同步，呈球状分布的质量场发生了扭曲，变成旋涡状质量场。

球对称状质量场在旋转中形态发生了改变，必然导致旋涡星系质量场的作用性质发生变化，具体表现在以下三个方面：一、旋涡状质量场的场强方向非各向同性，而是与星系的旋转方向相同；二、质量场的作用力程非星系视半径或星系间的视距离，而是星系的旋臂弧圆；三、由旋转质量场的方向，决定了星系间存在着相吸、相斥和不发生作用三种作用形式。其中第三点决定了星系间的相互运动趋势。

旋涡星系的质量场是已演变为二维场，用左手旋或右手旋标定其方向。星系间作用力的性质取决于星系的旋转方向，在一个平面内，当两个星系同方向旋转时，两星系将相互吸引，发生相近运动；反之，当两星系逆方向旋转时，两星系将相互排斥，发生相离运动。若两星系不在一个平面内旋转，旋转轴相互垂直，那么两星系将不发生作用。

在宇宙中，星系间的位置关系还存在另一种情形，即两星系处于上下重叠状态，旋转平面平行，自转轴在同一条直线上。这时，若两星系自旋方向相同，同是右手旋或左手旋，则彼此相互吸引，发生相近运动；若两星系自旋方向相逆，则彼此相互排斥，发生相离运动。以这种方式结合的星系群，有一条共同的轴心，星系就像一颗颗珠子一样，被从中间连接起来。

星系间的这种相吸与相斥的力学作用效应，必然要表现出一种可观测的天文现象，这就是星系的碰撞与分离。现在天文学家们通过哈勃望远镜，在宇宙中发现了大量的星系碰撞现象。在对著名的双星系M51的观测中发现，星系M51在其伴星系NG51的扰动下，一个旋臂偏离了正常位置直奔NG51而去，在两个星系间形成了“物质桥”，并且在此旋臂上还产生了许多年轻的恒星，这就是同方向旋转的星系相互吸引的结果。按照万有引力的观点，星系间只有吸引力，没有排斥力，而在银河系的十个伴星系中，就有七个星系远离银河系而去。其中，距离银心89万光年的狮子座Ⅰ矮星系，正以177公里/秒的速度远离银河系，这种星系间的分离，用万有引力是无法解释的，它只能是星系排斥作用的结果。

应该说，正是由于星系间存在着相互排斥作用，从而避免了宇宙中所有的星系向一起聚集的趋势；同时，由于星系间又存在着相吸作用，所以使星系的分布出现了一种有序的排列状态。星系间的这种双重作用特性，为宇宙大尺度结构的形成创造了条件。

3. 宇宙大尺度结构的形成

新时空宇宙学理论认为，有限的宇宙是由无限的宇宙演化而来，宇宙从诞生的那一刻起，宇宙空间就在随着物质总量的增多同步发生着空间收缩效应,这一空间收缩效应以类星体的红移为标志。在空间收缩过程中，由于闭合的质量场形成的宇宙膜不断内缩，宇宙半径逐渐缩小，星系间的距离相对缩短，所以在角动量守恒原理的作用下，缓慢的宇宙转动开始加速，平直的宇宙空间由此进入旋转状态。根据角动量守恒原理，宇宙空间旋转的角速度与空间收缩效应成正比。

如何理解宇宙空间的旋转呢？实际上，所谓的空间旋转本质上是指整个宇宙场在进行旋转，质量场由原来的球对称状转化为旋涡状，导致质量场旋转的主体是星系及星际物质。那么，旋转的宇宙空间又将如何影响星系分布的呢？

在日常生活中，我们会发现这样一种现象，漂浮在平静水面上的树叶是静止的，随机分布，杂乱无章。但是，当用木棍在水中搅动，使其旋转形成漩涡，这时树叶就会与水流一起绕漩涡中心旋转。如果漩涡的水流稳定，而树叶又比较多，那么，这些树叶就会聚集，形成一条条圆形的旋转链环。这一现象说明，在旋转场中，被作用物体将按场的运动方向有规律地分布在旋转轨道上。

在宇宙的演化过程中，星系的运动与分布遵循同样的规律。在宇宙形成初期，物质以弥漫状态分布，空间性质是平直的，呈各向同性。经过十几亿年的演化，物质逐渐聚集成团形成星系，而空间则与之同步发生着收缩，由平直状态进入旋转状态。这样，最初随机分布的星系及星系群，在旋转质量场的作用下，就像水中的树叶一样，按旋转质量场的空间纹理结构有规律地排列起来。于是，在同一个旋转平面上的星系相互链接构成了薄片状结构，它们像书页一样在空间中展开；而另一些在同一旋转半径上的一些星系，又可以近似地连接在一条直线上（实际上是一条弧线），构成了纤维状结构。星系的聚集相对地来说必然使另一部分空间空闲起来，出现无星系区，这就是所谓的宇宙“巨洞”，它相当于旋涡星系旋臂之间的空隙。于是，宇宙在大尺度上就形成了气泡式结构。

作为形成宇宙大尺度结构的旋转空间效应，我们可以通过三个方面予以检验：

第一，由于众星系在形成宇宙气泡的同时，都在围绕着宇宙中心旋转，所以宇宙纤维应具有可观测的运动效应。根据多普勒效应，通过观测星系光谱的频移，可以证明这一点，这就是后文要提到的“大吸引体”问题。

第二，由于星系在形成宇宙大尺度结构过程中进行的是圆周运动，因此，由星系组成的大尺度结构——宇宙纤维必呈弧形。这一点可以通过观测星系的分布状况予以证实。

第三，旋转的宇宙场必产生可观测的磁效应。在以后的章节中将介绍，所谓的磁现象，其本质就是旋转的质量场效应。因此，在星际空间应存在着宏观宇宙磁场，通过测定宇宙磁场的方向，可以进一步确定宇宙场的旋转方向，及宇宙中心所在的位置。

这就是我们的宇宙，一个有限的、收缩的、且在旋转的气泡状宇宙。

参考文献：
   [1] 保罗•哈尔彭 著，许呆呆 译.《宇宙的结构》.中国青年出版社，1998.
   [2] 刘步林，成松林.《简明天文学手册》.科学出版社，1986.
   [3] 李啸虎.《科学风云录》.上海科技教育出版社，2001.