到宇宙的膨胀

第十一章从牛顿宇宙

到宇宙的膨胀

这一章我们转到最后一个也是最大的一个物理问题，即

宇宙学。在从经典力学到相对论的发展中，人们对宇宙物理

结构的认识有些什么变化呢？

在伽利略、牛顿之前，传统的宇宙结构可以由图（

11-1）来

表示。它是一个有限有边的世界。宇宙的最外层是由恒星天

构成。恒星天是宇宙的边界。在它之外，就没有空间了。在哥白

尼的太阳中心说中，仍然保持着有限有边的结构图。

在牛顿之后，开始普遍采用了无限无边的观点。即认为

宇宙的体积是无限的，也没有空间边界。宇宙空间是一个三

维欧几里德几何无限空间，即在上下，左右，前后这些方向上，

都可以一直走下去延伸到无限远。

在这牛顿式的无限大的箱子中，到处布满着天体，这些天

体也有无限多。无论我们向哪个方向走去，总会不断地看到

这些天体。

总之，宇宙空间的无限­性­同牛顿理论的普适­性­一样，在经

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图

11-1托勒密的宇宙结构图

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典物理学中被认为是已经公认的事。

典物理学中被认为是已经公认的事。

但是，每一次科学上的重要成功，由于它的巨大声誉往往

会使后来的人不去认真思索或者不愿认真思索由这些成功所

带来的新东西中，哪一些是真正被证明了的真理。哪些还只

是设想或假设。其实，宇宙空间是三维无限的欧几里德空间

以及牛顿理论可以在宇宙学上适用，就是属于后一类的两个

观念。尽管人们已经习惯于接受它们，然而它们却不是属于

已经弄明白了的。

牛顿无限宇宙的困难

爱因斯坦在发展相对论宇宙学的时候，第一步工作就是

指出牛顿的无限宇宙观念中的矛盾和不自洽。

牛顿力学在讨论一个有限力学体系的运动时，总是假定

可以选取一个参考系，使引力势

φ在无限远的地方成为常数。

这个条件对于解决局部天体的运动问题，有时是相当关键的。

但是，如果接受牛顿的无限宇宙图象，认为物质均匀布满在整

个无限的空间之中，那么，根据牛顿力学又会得到无限远处引

力势

Φ不可能为常数的结论，这就是一个矛盾。如果，为了要

保证无限远处引力势

φ为常数，我们暂且放弃物质均匀布满

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在整个无限空间内的假设，并认为物质主要集中在我们周围