Physics 版 (精华区)

发信人: zjliu (秋天的萝卜), 信区: Physics
标  题: 物理世界奇遇记(5)汤普金斯先生访问一个封闭的宇宙
发信站: 哈工大紫丁香 (Mon Apr 28 21:39:22 2003) , 转信




来到海滨旅馆的第一个晚上，汤普金斯先生在晚餐后同老教
授扯了一通宇宙论，又同他女儿大谈了一番艺术，最后终于回到
他的房间，瘫倒在床上，把毯子拉到头上盖住。在他那疲倦的头
脑中，包提柴里、和邦迪、达里和霍依耳、勒梅特和拉芳坦全都
搅在一起了，最后，他终于沉沉入睡……
——————————
包提柴里：Botticelli，亦译作波提切利，1444?～1510，著名意大利画家。
邦迪：Bondi，1919～，英国数学家兼天文学家，于1948年首先提出“定态
　　（稳恒态）宇宙理论”。按照这种理论，宇宙是无始无终、永远存在的，
　　空间中的星系的密度永远不变。
达里：S.Dali，亦译作达利，西班牙超现实主义画家。
霍伊耳：F.Hoyle，1915～，英国天文学家，定态理论的拥护者。
勒梅特：G.E.Lemaitre，1894～1966，比利时天文学家，于1927年提出宇宙
　　　大爆炸理论。
拉芳坦：La Fontaine，亦译作拉封丹，1621～1695，法国诗人
——————————
　　半夜的什么时候，他突然醒了，并且惊奇地感觉到，他不是
躺在舒适的弹簧床上，而是躺在某种坚硬的东西上。他睁开眼睛，
发现自己趴在一块大石头上——他最初认为这是海岸上的一块岩
标  题: 物理世界奇遇记(5)汤普金斯先生访问一个封闭的宇宙
发信站: 逸仙时空 Yat-sen Channel (Mon Apr 14 09:18:45 2003), 站内信件

来到海滨旅馆的第一个晚上，汤普金斯先生在晚餐后同老教
授扯了一通宇宙论，又同他女儿大谈了一番艺术，最后终于回到
他的房间，瘫倒在床上，把毯子拉到头上盖住。在他那疲倦的头
脑中，包提柴里、和邦迪、达里和霍依耳、勒梅特和拉芳坦全都
搅在一起了，最后，他终于沉沉入睡……
——————————
包提柴里：Botticelli，亦译作波提切利，1444?～1510，著名意大利画家。
邦迪：Bondi，1919～，英国数学家兼天文学家，于1948年首先提出“定态
　　（稳恒态）宇宙理论”。按照这种理论，宇宙是无始无终、永远存在的，
　　空间中的星系的密度永远不变。
达里：S.Dali，亦译作达利，西班牙超现实主义画家。
霍伊耳：F.Hoyle，1915～，英国天文学家，定态理论的拥护者。
勒梅特：G.E.Lemaitre，1894～1966，比利时天文学家，于1927年提出宇宙
　　　大爆炸理论。
拉芳坦：La Fontaine，亦译作拉封丹，1621～1695，法国诗人
——————————
　　半夜的什么时候，他突然醒了，并且惊奇地感觉到，他不是
躺在舒适的弹簧床上，而是躺在某种坚硬的东西上。他睁开眼睛，
发现自己趴在一块大石头上——他最初认为这是海岸上的一块岩
　　
　　现在，汤普金斯先生开始慢慢地明白过来了，他想起在他上
学的时候，人们就对他说过，地球是在空间中自由地绕着太阳转
动的一块又大又圆的石头。他还记得有一幅图画画着两个人对跖
地站在地球遥遥相对的两侧。对了，他这块岩石就是一个非常小
的行星，它把一切东西都吸引在它表面上，而他和老教授是这个
小小行星上仅有的两个居民。这多少使他感到一些安慰：起码是
不会有掉下去的危险了！
　　“早上好。”汤普金斯先生说，想把老人的注意力从计算中
转移过来。
　　教授从他的笔记本上抬起眼睛。“这里是没有早上这种东西
的，”他说，“在这个宇宙中既没有太阳，也没有一颗发光的恒
星。幸而这里各种物体的表面上都在发生某种化学过程，要不然，
我就无法观察这个空间的膨胀了。”说着，他又回到他的笔记本
上去了。
　　汤普金斯先生感到十分不愉快：在这整个宇宙中竟只能找到
一个活人，而这个人又是如此傲慢！出乎意料之外；一颗很小的
流星帮了他的大忙。这块石头哗啦一声击中教授手里的笔记本，
把它打了出去，使它离开他们这颗小行星，快速地穿过空间飞去。
“现在你再也看不到它了。”汤普金斯先生说，因为笔记本正在
飞入空间深处，变得越来越小。
　　“正好相反，”教授回答说，“你瞧，我们现在所处的这个
　　
　　现在，汤普金斯先生开始慢慢地明白过来了，他想起在他上
学的时候，人们就对他说过，地球是在空间中自由地绕着太阳转
动的一块又大又圆的石头。他还记得有一幅图画画着两个人对跖
地站在地球遥遥相对的两侧。对了，他这块岩石就是一个非常小
的行星，它把一切东西都吸引在它表面上，而他和老教授是这个
小小行星上仅有的两个居民。这多少使他感到一些安慰：起码是
不会有掉下去的危险了！
　　“早上好。”汤普金斯先生说，想把老人的注意力从计算中
转移过来。
　　教授从他的笔记本上抬起眼睛。“这里是没有早上这种东西
的，”他说，“在这个宇宙中既没有太阳，也没有一颗发光的恒
星。幸而这里各种物体的表面上都在发生某种化学过程，要不然，
我就无法观察这个空间的膨胀了。”说着，他又回到他的笔记本
上去了。
　　汤普金斯先生感到十分不愉快：在这整个宇宙中竟只能找到
一个活人，而这个人又是如此傲慢！出乎意料之外；一颗很小的
流星帮了他的大忙。这块石头哗啦一声击中教授手里的笔记本，
把它打了出去，使它离开他们这颗小行星，快速地穿过空间飞去。
“现在你再也看不到它了。”汤普金斯先生说，因为笔记本正在
飞入空间深处，变得越来越小。
　　“正好相反，”教授回答说，“你瞧，我们现在所处的这个
空间并不是无限大的。哦，对了，我明白了，你在学校里学过什
么空间是无限的啦，两条平行线永远不会相交啦，等等。但是，
这是不可靠的，无论是对于我们现在所处的这个空间，还是对于
其他人生活的那个空间来说都是如此。当然，其他人生活的那个
空间确实非常巨大，据科学家们估计，它目前的直径大约有16000
艾（艾代表1018）公里，这在普通人看来，真的可说是无限大了。
要是我的笔记本是在那里丢失的，它可就得经过非常非常长的时
间，才能飞回来。不过，我们这里的情况是相当不一样的。在笔
记本从我的手中飞走之前，我刚刚计算出，我们这个空间的直径
只有８公里左右；尽管它正在迅速地膨胀着。我估计，用不了半
小时，笔记本就会飞回来了。”
　　“这个，”汤普金斯先生有点冒昧地问，“你是不是说，你
的笔记本正在沿着直线作一种环形旅行，就像你上次说的，从地
球的北极出发……”
　　“……却在南极着陆？是的，”教授答道，“正是这样。现
在我的笔记本正在发生同样的事，除非它在路上撞上了其他石头，
从而偏离了直线轨道。”
　　“这同我们这颗小小的行星想把它拉回来的引力有什么关系
吗？”
　　“不，完全没有任何关系。就我们这颗行星的引力而论，它
已经小到可以让那个笔记本跑到空间中去了。来，把望远镜拿着，
瞧瞧现在还能不能看见它。”
空间并不是无限大的。哦，对了，我明白了，你在学校里学过什
么空间是无限的啦，两条平行线永远不会相交啦，等等。但是，
这是不可靠的，无论是对于我们现在所处的这个空间，还是对于
其他人生活的那个空间来说都是如此。当然，其他人生活的那个
空间确实非常巨大，据科学家们估计，它目前的直径大约有16000
艾（艾代表1018）公里，这在普通人看来，真的可说是无限大了。
要是我的笔记本是在那里丢失的，它可就得经过非常非常长的时
间，才能飞回来。不过，我们这里的情况是相当不一样的。在笔
记本从我的手中飞走之前，我刚刚计算出，我们这个空间的直径
只有８公里左右；尽管它正在迅速地膨胀着。我估计，用不了半
小时，笔记本就会飞回来了。”
　　“这个，”汤普金斯先生有点冒昧地问，“你是不是说，你
的笔记本正在沿着直线作一种环形旅行，就像你上次说的，从地
球的北极出发……”
　　“……却在南极着陆？是的，”教授答道，“正是这样。现
在我的笔记本正在发生同样的事，除非它在路上撞上了其他石头，
从而偏离了直线轨道。”
　　“这同我们这颗小小的行星想把它拉回来的引力有什么关系
吗？”
　　“不，完全没有任何关系。就我们这颗行星的引力而论，它
已经小到可以让那个笔记本跑到空间中去了。来，把望远镜拿着，
瞧瞧现在还能不能看见它。”
　　汤普金斯先生把望远镜凑到眼睛上，通过那把整个景色弄得
模糊不清的灰尘，他好不容易才看到教授的笔记本正在穿过空间
远远地飞去。他有点惊奇地发现，在那个距离上，一切物体都好
像涂上了一层粉红色，连那本笔记本也是这样。
　　“啊，”过了片刻，汤普金斯先生喊道，“你的笔记本在往
回飞了，我看到它变得越来越大。”
　　“不，”教授说，“它还在往远处飞哩。你看到它变大了，
好像它正在飞回来——这只是一种幻象，是由于封闭的球形空间
对光线有一种独特的聚焦效应而引起的。让我们再设想从地平面
发出的光线在整个时间内一直沿着地球的曲面向前走——比方说
是由于大气的折射作用吧。在这种条件下，如果有一个运动员从
我们面前跑开，那么，不论他跑多远，我们都能够使用高倍数的
望远镜在他的全部旅程中随时看到他。如果你观察地球仪，你就
会看到，球面上那些很直的线——经线——先从地球仪的一个极
点分散开来，但是，在经过赤道以后，便开始朝对面那个极点会
聚了。假设光线沿着经线行进，而你自己正好处在一个极点上，
那么，你就会看到，一个离开你远去的人在越过赤道以前，总是
变得越来越小。但是，他一旦越过赤道，你就会看到他变得越来
越大，因而你会觉得他正在往回走，但它却用后背对着你。在他
到达对面那个极点以后，你会看到他变得那么大，好像他就站在
你身边似的。但是，你无法摸到他，就像你无法摸到球面镜中的
影像那样。根据这个二维的比喻，你就可以想象到，光线在这个
　　汤普金斯先生把望远镜凑到眼睛上，通过那把整个景色弄得
模糊不清的灰尘，他好不容易才看到教授的笔记本正在穿过空间
远远地飞去。他有点惊奇地发现，在那个距离上，一切物体都好
像涂上了一层粉红色，连那本笔记本也是这样。
　　“啊，”过了片刻，汤普金斯先生喊道，“你的笔记本在往
回飞了，我看到它变得越来越大。”
　　“不，”教授说，“它还在往远处飞哩。你看到它变大了，
好像它正在飞回来——这只是一种幻象，是由于封闭的球形空间
对光线有一种独特的聚焦效应而引起的。让我们再设想从地平面
发出的光线在整个时间内一直沿着地球的曲面向前走——比方说
是由于大气的折射作用吧。在这种条件下，如果有一个运动员从
我们面前跑开，那么，不论他跑多远，我们都能够使用高倍数的
望远镜在他的全部旅程中随时看到他。如果你观察地球仪，你就
会看到，球面上那些很直的线——经线——先从地球仪的一个极
点分散开来，但是，在经过赤道以后，便开始朝对面那个极点会
聚了。假设光线沿着经线行进，而你自己正好处在一个极点上，
那么，你就会看到，一个离开你远去的人在越过赤道以前，总是
变得越来越小。但是，他一旦越过赤道，你就会看到他变得越来
越大，因而你会觉得他正在往回走，但它却用后背对着你。在他
到达对面那个极点以后，你会看到他变得那么大，好像他就站在
你身边似的。但是，你无法摸到他，就像你无法摸到球面镜中的
影像那样。根据这个二维的比喻，你就可以想象到，光线在这个
　　汤普金斯先生把望远镜凑到眼睛上，通过那把整个景色弄得
模糊不清的灰尘，他好不容易才看到教授的笔记本正在穿过空间
远远地飞去。他有点惊奇地发现，在那个距离上，一切物体都好
像涂上了一层粉红色，连那本笔记本也是这样。
　　“啊，”过了片刻，汤普金斯先生喊道，“你的笔记本在往
回飞了，我看到它变得越来越大。”
　　“不，”教授说，“它还在往远处飞哩。你看到它变大了，
好像它正在飞回来——这只是一种幻象，是由于封闭的球形空间
对光线有一种独特的聚焦效应而引起的。让我们再设想从地平面
发出的光线在整个时间内一直沿着地球的曲面向前走——比方说
是由于大气的折射作用吧。在这种条件下，如果有一个运动员从
我们面前跑开，那么，不论他跑多远，我们都能够使用高倍数的
望远镜在他的全部旅程中随时看到他。如果你观察地球仪，你就
会看到，球面上那些很直的线——经线——先从地球仪的一个极
点分散开来，但是，在经过赤道以后，便开始朝对面那个极点会
聚了。假设光线沿着经线行进，而你自己正好处在一个极点上，
那么，你就会看到，一个离开你远去的人在越过赤道以前，总是
变得越来越小。但是，他一旦越过赤道，你就会看到他变得越来
越大，因而你会觉得他正在往回走，但它却用后背对着你。在他
到达对面那个极点以后，你会看到他变得那么大，好像他就站在
你身边似的。但是，你无法摸到他，就像你无法摸到球面镜中的
影像那样。根据这个二维的比喻，你就可以想象到，光线在这个
　　汤普金斯先生把望远镜凑到眼睛上，通过那把整个景色弄得
模糊不清的灰尘，他好不容易才看到教授的笔记本正在穿过空间
远远地飞去。他有点惊奇地发现，在那个距离上，一切物体都好
像涂上了一层粉红色，连那本笔记本也是这样。
　　“啊，”过了片刻，汤普金斯先生喊道，“你的笔记本在往
回飞了，我看到它变得越来越大。”
　　“不，”教授说，“它还在往远处飞哩。你看到它变大了，
好像它正在飞回来——这只是一种幻象，是由于封闭的球形空间
对光线有一种独特的聚焦效应而引起的。让我们再设想从地平面
发出的光线在整个时间内一直沿着地球的曲面向前走——比方说
是由于大气的折射作用吧。在这种条件下，如果有一个运动员从
我们面前跑开，那么，不论他跑多远，我们都能够使用高倍数的
望远镜在他的全部旅程中随时看到他。如果你观察地球仪，你就
会看到，球面上那些很直的线——经线——先从地球仪的一个极
点分散开来，但是，在经过赤道以后，便开始朝对面那个极点会
聚了。假设光线沿着经线行进，而你自己正好处在一个极点上，
那么，你就会看到，一个离开你远去的人在越过赤道以前，总是
变得越来越小。但是，他一旦越过赤道，你就会看到他变得越来
越大，因而你会觉得他正在往回走，但它却用后背对着你。在他
到达对面那个极点以后，你会看到他变得那么大，好像他就站在
你身边似的。但是，你无法摸到他，就像你无法摸到球面镜中的
影像那样。根据这个二维的比喻，你就可以想象到，光线在这个
已经占宇宙总体积的相当大一部分了。目前它的膨胀速率大约是
每年0．000 000 01％。 而我们现在所处的这个小宇宙的膨胀则
要快得多，它的半径大约每分钟增大1％。”
　　“这种膨胀永远不会停止吗？”汤普金斯先生问道。
　　“当然是要停止的，”教授说，“然后就会开始收缩。每一
个宇宙都在非常小的半径和非常大的半径之间脉动着。对于那个
大宇宙来说，脉动的周期是相当长的，大约等于几十亿年，但是，
我们现在这个小宇宙的脉动周期却很短，大约只有两个钟头。我
认为，我们现在所观察到的就是膨胀到最大时的状态。你注意到
现在有多么冷吗？”
　　事实上，那充斥着这个宇宙的热辐射，由于现在分布在非常
大的体积中，只能为他们这个小行星提供非常少的热量，因此，
周围的温度大致在冰点上下。
　　“我们很走运，”教授说，“这里原来的辐射足够多，甚至
膨胀到这个阶段还能提供一些热量。要不然，就可能冷到使我们
这块岩石周围的空气都凝成液体，把我们统统冻死。但是，现在
已经开始收缩，马上又要热起来了。”
　　汤普金斯先生朝天空看去，他发现，远处所有物体的颜色都
在从红变蓝；按照教授的解释，这是由于所有天体都已经开始朝
着他们靠拢过来。他又想起教授刚才用迎面开过来的火车的汽笛
声调较高这个事实所作的比喻，便害怕得颤抖起来了。
　　“既然现在每一种东西都在收缩，那么，难道我们不应该想
到，分布在这个宇宙中的所有大石头很快就会集中到一起，把我
们磨得粉碎吗？”他担忧地问教授。
　　“正是这样，”教授镇静地答道，“但是我想，还在发生这
种情况以前，温度就会变得非常非常高，这样，我们两人都会离
解成一个个分开的原子。这就是我们那个大宇宙的末日的缩影——
每一种东西都混在一起，形成一个均匀的。很热的气体球，只有
到重新开始膨胀以后，才又开始出现新的生命。”
　　“我的天啊！”汤普金斯先生喃喃他说，“你说过，在那个
大宇宙中，我们还要经过几十亿年才会碰上宇宙的末日，而在这
里，末日对我来说简直来得大快了！我已经感觉太热了，尽管我
只穿着睡衣。”
　　“你最好别把它脱掉，”教授说，“这是无济于事的。你还
是躺下，能观察多久就观察多久吧。”
　　汤普金斯先生没有口答，热空气使他喘不过气来。尘埃现在
变得非常稠密，把他完全包围起来，他觉得自己好像是裹在一条
温暖柔和的毯子里滚动着。他做了个动作，想把自己解脱出来，
于是，他的脑袋便暴露在寒冷的空气中。他深深地吸了一口气。
　　“到底发生什么事啦？”他想问教授这是怎么回事，但却到
处都找不到他。相反的，在朦胧的晨曦中，他认出了那熟悉的卧
室中各种家具的轮廓。他自己正躺在床上，艰难地在毛毯中翻滚
着，好不容易才把一只手从毛毯里挣脱出来。
　　“感谢上帝，我们仍然处在膨胀之中！”接着，他起床洗了



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