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第163夜 以有限为无限(第2/4页)

    会愈演愈烈——这二人是智慧真正完美的体现,使紧张的气氛烟消云散。爱因斯坦给希尔伯特写了一封绝妙的信,总结了他们共同做法的重要意义:

    我们之间已经有了一点不愉快,起因我不愿去分析。我一直在同它所引起的痛苦做斗争,现在完全胜利了。我又怀着往日的友好想您,希望您也能这样对我。两个真正的朋友,能在一定程度上从卑鄙的世俗中解脱出来,却不能相互欣赏,那真是太遗憾了。

    宇宙发表方程两年后,爱因斯坦决定用它来描述整个宇宙空间,来考察宇宙的最大尺度,由此他有了另一个惊人的想法。数千年来,人类一直反躬自问,宇宙究竟是有限的还是无限的?两种假说都遇到了棘手的难题。无限的宇宙看起来并不合理:举例来说,如果宇宙是无限的,在某个地方肯定会存在一个与你一样的读者,正在读着同一本书(无限极其浩瀚,原子没有足够多的组合方式使物体全都有所差异)。

    实际上,肯定不止一个,而会有无穷多的与你一模一样的读者……但如果宇宙存在极限,那边界是什么呢?如果另一边空无一物,那么边界还有什么意义呢?

    公元前6世纪,塔兰托的毕达哥拉斯学派哲学家阿尔库塔斯(Archytas)就写道:如果我发现自己身处最遥远的天空,那里有不变的星辰,那么我能否伸展手臂或伸出一根手杖,抵达天空以外呢?如果做不到的话是很荒谬的;但如果做得到,那么外面就存在,要么是物质,要么是空间。以这种方式人可以抵达更远,直到尽头,反复问着同样的问题,是否总会有空间可以伸展手杖。

    这两个荒谬的选择——无限空间的荒谬,与宇宙存在固定边界的荒谬——看起来都不合理。但爱因斯坦找到了第三条路:宇宙可以是有限的,与此同时没有边界。这是如何办到的呢?就如地球表面,它不是无限的,但也没有边界。

    只要东西可以弯曲,这就会很自然地出现:地球表面就是弯曲的。在广义相对论中,三维空间当然也可以弯曲,因而我们的宇宙可以有限但无界。在地球表面,如果我沿直线一直走,并不会永无止境地前进下去,最终我会回到出发点。宇宙的构造也是同样的方式:如果我乘坐宇宙飞船始终向同一个方向行进,我会环绕宇宙一圈,最终返回地球。像这样有限但无界的三维空间,被称作三维球面。

    要理解三维球面的几何,就要先回到普通的球面;皮球或地球的表面。为了表示飞机上看到的地球表面,我们可以把平时画的大陆画成两个圆盘。

    一个球面可以用两个圆盘来表示,沿着圆盘的边这两个圆盘平滑地连接在一起。南半球的居民在某种意义上被北半球“包围”,因为无论他想从哪个方向离开他所在的半球,最终都会到达另一个半球。反过来也是一样:每个半球都包围另一个半球,也被另一个半球包围。

    三维球面也可用相似的方式来表示,但要附加一个维度:两个球沿表面完全黏合在一起。离开一个球面,就会进入另一个球面,正如我们离开了代表地球的一个圆盘就会进入另外一个。每个球面都包围也被另一个球面包围。

    爱因斯坦的想法是,空间可以是个三维球面:体积有限(等于两个球体的体积之和)但无界。三维球面这一解决办法是爱因斯坦在1917年
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