即便把我关在果壳之中，仍然自以为无限空间之王.......
——莎士比亚
"如果宇宙不是无限大的，那我们还能说电磁力和引力的作用范围是无限的吗？"
当你认真思考这个问题的时候，你会发现这其实是一个非常意义深远的问题。首先我们来思考一下引力和电磁力。
静电力和引力的基本公式。（© Regents Physics）
我不是要你们思考引力的大小，或者它们相吸/相斥的本性。而是要你们想一下它们所遵守的反平方定律（如上表公式中的 F∝1/r²），即当你我之间的距离（r）翻倍时，那么我们之间的力（F）就比原先的距离要衰减四分之一。事实上，反平方定律非常特别，它不仅仅只出现在引力和电磁力中，它还出现在其它重要的物理性质中，比如光、声和辐射的效应。
为什么反平方定律很特别？现在想像从一颗恒星辐射出来的光（下图的S为光源），当你离发光源越来越远时，光线是如何随着距离的增加而蔓延开来。
光线从从一个球体径向射出，并向不断膨胀的球壳蔓延开来。 这有什么特别的吗？因为一个球体的表面面积有一个特定的公式：A = 4πr²， 而 r² 是最重要的部分。为什么？因为如果面积随着 r² 膨胀，但是力随着反平方定律衰减（也就是 1/r² ），那么现在我们可以说这样的现象可以有无限范围。意思是说你可以以一个物体——引力源（质量），电源（电荷），光源（恒星）等——为中心画一个无限大的球，那么施加在球的总量，不管是力还是通量，都不变。只要把作用在球上每个部分的总和相加，总量总是不变的。这不仅对整个球是正确的，对于球的任何立体角也都是成立的。
这便是我们说引力的作用影响范围是无限大的。
但是宇宙——至少是我们可观测到的那部分——并不是无限大的！恰恰相反，尽管我们可以看到来自数千亿的星系发出的星光，但是跟无限相比，这也并不是一个什么很大的数字。这是一幅非常壮丽的景色，建议你用心感受一下：
当然，这看起来非常大，但是在可观测宇宙中的星系数量要比地球所有的沙子加起来还多上数十亿倍的时候，这就显得没什么了不起了。我们之所以不能看的更多是因为宇宙并不是永恒存在的，宇宙自大爆炸以来才存在138亿年，在那之后诸如光或引力才逐渐传播朝向地球。更精确的说，是从它们的光源或引力源处球形向外传播。
现在，我们不应该把可观测宇宙（也就是光、引力或其它有限速度的现象可到达的部分）与无论整个宇宙有多大（或许是无限大）混淆，因为宇宙还包括了不可观测的部分。
在宇宙可以由大爆炸描述的时刻，左边为可观测宇宙的大小，右边为不可观测宇宙的大小。（© Rob Knop）
我们相信整个宇宙比可观测宇宙要大的多是有依据的，之所以不可观测是因为信号无法到达那个部分，因为信号传播的时间和速度都是有限的。
这并不是我们宇宙的一个Bug，而恰恰是它的一个重要特征。
（© European Gravitational Observatory）
想象一下，如果信号在宇宙中传播无限快，或者我们可以感受到引力，看见光，或体验到来自远远超出我们应当可以接触到的其它东西的效应。我们会发现我们自己会感受到很随机的力，好像是没有任何起因的。我们也会看到那些本永远传播不到我们视线的光源把整个夜空照亮。
奥伯斯佯谬。（© James Schombert）
我们也会向外施加更多超越我们本身所能达到的力。简单来说，物理定律从此失效，因为广义相对论无法描述我们身处的宇宙。由于引力结合能的原因，宇宙中会有过多的能量密度，这样的结局就是宇宙很快的将无法避免的重新坍缩。
总能量为正或零的时候，宇宙永远的膨胀下去；总能量为负的时候，宇宙会停止膨胀并塌缩。（© Shashi M.Kanbur）
这样的结局很糟，但幸好我们的宇宙不是这样的。取而代之的是，引力、电磁力以及其它具有“无限范围”作用的力，它们可以到达的作用范围也就是在138亿年内它们以光速传播的距离，大约为453.4亿光年（根据前几天的一项最新研究）。由于引力的传播速度和光速一样，这相当于可观测宇宙的大小。
（© Wikimedia Common）
发表于 2017-7-7 00:32
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