宇宙有限论

半剑飘东半剑西

宇宙有限论

      自小接受的教育，都是“宇宙是无穷无尽的”，宇宙没有边界。

      宇宙有限论的“宇宙”，是指“可观测宇宙”，下称可测宇宙。

      其常用的长度单位是光年。

      光年是光在真空中传播一儒略年（365.25天）所经过的距离。

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§0 总星系

       于天体结构而言，可测宇宙的最大结构是总星系，总星系涵盖了整个可观测宇宙中的所有天体和物质。
       过天体中最远两点作线段，其长度不妨称为（该天体的）直径，直径的一半为半径。
       如果只在乎天体的尺度大小，不妨以该天体最远两点所在线段的中心为球心，其半径为半径作球体，则该球体可模拟该天体。因此天体的尺度，可用天体的直径作为表征。

§1 超星系团

       总星系的子结构是超星系团，总星系含有约1,000万个或0.1亿个超星系团。
       最“轻”的超星系团质量约为10^15个太阳质量，即约一千万亿个太阳质量。
       最“重”的超星系团质量约为10^17个太阳质量，即约十亿亿个太阳质量。
       包含地球的超星系团是室女座超星系团，其总质量约一亿亿个太阳质量。
       室女座超星系团的直径约为1.5亿光年。
       室女座超星系团也称本超星系团，与本超星系团较近的超星系团有武仙超星系团、北冕超星系团、巨蛇-室女超星系团等。

§2 星系团和星系群

      总星系的孙结构、超星系团的子结构是星系团、星系群。
      星系群和星系团的主要区别在于它们所包含的星系数量——星系群中的星系较少，而星系团中的星系较多。星系一个例子是银河系。
      银河系所在的星系群叫做本星系群，成员星系大约为50个。
      本星系群的直径约为652万光年。
      距离本星系群较近的一个星系团是室女星系团，包含了超过2500个星系。
      室女星系团是是离地球最近的一个不规则星系团，其直径约1300万光年。
      其他星系团例如：武仙座星系团、长蛇座星系团、半人马座星系团、天炉座星系团等。

§3 星系

      超星系团的孙结构是星系，星系团和星系群的子结构是星系。
      星系是构成宇宙的基本单位，它是一个包含恒星、绕恒星运行的行星和彗星、气体、宇宙尘埃和暗物质等星际物质，并且受到重力束缚的天体系统。
      在可观测宇宙中，星系的总数可能达到一千亿个以上。
      星系际空间（存在于星系之间的空间）充满了极稀薄的等离子，平均密度小于每立方米一个原子。
      星系主要分成三类：椭圆星系、螺旋星系和不规则星系。螺旋星系可分为正规螺旋星系、棒旋星系和不规则螺旋星系等。
      包含太阳的一个典型星系是银河系。
      银河系属于棒旋星系。
      其他著名的星系例如：
      仙女座星系（M31），距离银河系最近的大星系，直径约为22万光年，是本星系群中最大的星系；
      波德星系（M81），是地球天空中最明亮的星系之一，位于大熊星座北部方向；
      仙女座大星云，曾被称为仙女座大星云，是距离银河系最近的大星系，也是肉眼可见的最遥远的天体之一。
      2020年03月25日，科学家找到银河系的精确边界，并据此得到，银河系的精确直径为190万光年，误差不超过40万光年。
      因此，银河系的精确直径，介于150万光年到230万光年之间。
      银河系大约拥有1,000亿至4,000亿颗恒星，并可能有1,000亿颗行星。

§4 星系子系统

      星系虽然是构成宇宙的基本单位，但还有次级的结构（子系统），
      其子系统中典型一类是，众多质量小的星体绕质量大的一颗到少数几颗恒星转动的子系统，尤其是如果存在一颗恒星在质量上占绝对优势（其他众多质量小的星体绕其转动），则该子系统称为中心式星系子系统。
      太阳系就是一个中心式星系子系统。
      太阳系是以太阳为中心并受其引力使周边天体维持一定规律运转所形成的天体系统。
      如果以奥尔特云为界限，那么太阳系的最大直径约为4光年，最大半径约为2光年。

§5 圆珠笔芯

      传媒披露，中国每年圆珠笔的产量是380亿支，占全世界总供应量的80%，但2016年以前，圆珠笔的笔芯尚需进口，2020年后才国产化。
      圆珠笔的笔芯指笔尖的小圆珠及其支承之球座体，小圆珠常见的规格有0.5mm和0.7mm两种。0.5mm即是直径为0.5*10^(-3)米，或半径为0.25*10^(-3)米。

      有了上述的层次结构，以及圆珠笔芯——假定就是直径为0.5*10^(-3)米那种球体（下称标准圆珠笔芯），
      我们可以感知，“可观测宇宙”的有限，有限到什么程度呢？

§6太阳系与银河系之比

       假定太阳系就是以太阳中心为球心，半径2光年，包含奥尔特云的球体，并把此太阳系缩小为一颗标准圆珠笔芯；
       那么，同样缩小之后，银河系的精确直径，介于187.5米到287.5米之间。
       查询中国建筑协会官网所显示，普通楼房一层换算高度为4米高，187.5米到287.5米之间可换算为47层到72层大楼的高度。
       南京鼓楼紫峰大厦大观光层处于72层，地面高度为288.6米。
       因此，银河系最远两点的距离，就相当于紫峰大厦观光层高度。换言之，
       太阳系直径与银河系直径之比，就相当于一颗标准圆珠笔芯的直径，与（每层高4米的）47层到72层大楼高度之比。
      （精确计算见附录）

§7 太阳系与本星系群(团)之比

      如上述，将以奥尔特云为界限的太阳系，缩小为标准圆珠笔芯；
      那么，本星系群的直径，同比缩小为815米。
      （精确计算见附录）
      以红螺寺出名的北京红螺山，高度约813米；世界最高建筑物迪拜塔，高度约828米。
      太阳系直径与本星系群直径之比，就相当于一颗标准圆珠笔芯(小圆珠)的直径，与北京红螺山高度之比。
      换言之，本星系群的直径，缩小为比迪拜塔的高度略减。

      同理，本星系团的直径，同比缩小为1625米。
     （精确计算见附录）
      北京的东长安街全长1507米,西长安街全长1742米。半条长安街之长为1625米。
      太阳系直径与本星系团直径之比，就相当于一颗标准圆珠笔芯(小圆珠)的直径，与半条北京长安街长度之比。

§8 太阳系与室女座超星系团之比

      同上，将上述太阳系缩小为一颗标准圆珠笔芯(小圆珠)；
      那么，室女座超星系团的直径，同比缩小为18750米=18.75公里。

      从北京天安门到颐和园距离，大约为19公里；
      更具体，从天安门西到天通苑南坐地铁单程19站,运行18.75公里 ,票价5元。
      因此，太阳系直径与室女座超星系团直径之比，就相当于一颗标准圆珠笔芯(小圆珠)的直径，与北京天安门到颐和园距离之比。

§9 太阳系与可观测宇宙之比

      可观测宇宙的半径约为465亿光年，直径约为930亿光年。
      同上，将上述太阳系缩小为一颗标准圆珠笔芯(小圆珠)；
      那么，可观测宇宙的直径，即可观测宇宙最远两点的距离，同比缩小为116.25*10^5米=11625公里，
      比北京到伦敦的直线距离,略减少一些。
      （精确计算见附录）

       将过可观测宇宙最远两点的线段中间点视为圆心，以可观测宇宙半径为半径，作一个圆平面，可模拟可观测宇宙的视界。
       按照上述的同比缩小，上述圆平面的面积为10614万平方公里，
       约是地球陆地面积的七成，相当于亚洲、欧洲、美洲、澳洲总面积。

       因此，当以奥尔特云为界限的太阳系，缩小为标准圆珠笔芯(小圆珠)，太阳系的视界缩小为过小圆珠球心的截平面；
       在同样意义下，可观测宇宙的视界面积，相当于地球陆地面积的七成，也相当于亚洲、欧洲、美洲、澳洲总面积。

       可观测宇宙的有限面积，依然相当可观，但离我们当初想象的“无穷无尽”，又“小”得多！

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        上面提供了宇宙有限论的一些感性材料，据此可以感觉得到宇宙有限到什么程度。
        随后，将再对哲学层面的“宇宙是无穷无尽的”陈述，提供一些科学依据；

        尽量说明，为何“无穷无尽的”宇宙，我们是无从观测的？

        为何从实证的角度，我们只能说“宇宙”是“有限的”？

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       第3楼问题所需要的科学理论，包括但不限于宇宙大爆炸学说、宇宙膨胀学说、光学理论、引力波和中微子理论等。
       为何“宇宙”是“有限的”？
      我们辨识“宇宙”是否“有限”的前提，是宇宙从一个奇点开始的大爆炸，到今天已经度过了约138亿年；
      辨识者是地球上的人类，正在使用现代先进的仪器观测宇宙，所使用的理论模型虽然先进但也有极限；
      而辨识者的宇宙（称为“我们的宇宙”）环境，依然处于膨胀之中，在距今45亿年前，我们的宇宙之膨胀非但没有减速，反倒开始加速膨胀了。
      假如46亿年前人类已出现，并有现在的科技水平，那么对我们的宇宙之观测，将大大不同，
      最奇特的一种情况，是彼时的宇宙或接近于“无穷无尽”。

      时至今日，我们的宇宙之膨胀速度，已经快于光速。
      而我们对宇宙的观测，源于科学仪器的光学应用；依靠“光子”的运动和数理模型，我们才能推算出天体离我们的距离。

      换言之，必须满足“天体所发出的光有足够时间到达观测仪器”的条件，
      才能推算出天体离我们的距离，以及根据数学物理模型得到的两天体相对距离。

      由于我们的宇宙之膨胀速度快于光速，因此较远天体发出的光线，将永远也无法到达地球，到达观测仪器，
      我们也无法推算出该较远天体离我们的距离，
      更无法推算出该较远天体与其他标志性星系的相对距离。
      换句话说，我们不知道非常非常遥远的地方，是否存在一个能发光的天体，
      会因为宇宙环境使得我们无从使用科学仪器也无从判断。

      我们可以判断的，是基于我们能观测的、继而能推算的，我们的所得，就是一个“可观测宇宙”。
      在现在这个时间段，我们得到的“可观测宇宙”，直径约为930亿光年。
      我们可以以地球球心为中心，作一个半径N亿光年的球体，包含“可观测宇宙”的所有天体。

      在此前提下，我们对距离地球超过2N亿光年的地方，
      是否存在一个质量大于零的天体，是否存在一个能发光的天体，
      实际上是一无所知。
      至今，我们对暗物质依然所在甚少。

      真正的宇宙可能是无限的，而宇宙的“边缘”，可能是由暗物质组成。
      这样，该暗物质“包裹”的“内宇宙”，依然是“相对有限的”。
      又假如，真正的宇宙可能是无限的，而宇宙的“边缘”是一片虚空（真空），
      那么其“内嵌部分”的“宇宙”，依然是“相对有限的宇宙”。

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       宇宙以比光速更快的速度加速膨胀，其结果是:
       即使临近两个星系的质量中心未明显变化，但该两个星系的中心距离会越来越远。
       这样，随着时间的推移，“可观测宇宙”包含的超星系团数量，会越来越少。
       进而“可观测宇宙”包含的星系团和星系群数量，也会越来越少。

       如果热力学第二定律、如果熵增定律在未来继续正确；
       那么，再经过数千亿年后，可观测宇宙中便只剩下我们的本星系群。

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       从小我们的科学课，老师总说“物质是无限可分的”、“事物总可以一分为二”，
       数学老师更具体为，一米长的线段，从中点一分为二，变成1/2长的线段，再从其中点一分为二，变成1/4长的线段….，
       一直从中点一分为二，变成1/(2^n)长的线段….

       从哲学角度貌似正确。问题是：
       其一，物质是否总是无限可分的？线段是否可以永远一分为二？
       其二，即使其一是正确的，你能否看得到？
       其三，即使其一是正确的，科学仪器能否观测得到？

       人眼看到物体，其原理是照射到物体上的光线发生反射，所反射的光线经过眼球光学系统的折射后聚焦在视网膜上，经过大脑整合后形成图像。
       科学仪器的观测更加先进，借助可见与不可见光线、其他探测媒介，将物体的图像保存在存储器中，可以反复查询。
       线段可以永远一分为二（允许两部分长度不等）的前提是能够找到线段的中间点，前提是线段的两端位置能确定。

       要测量一个物体的位置，我们得用照在其上的光所得的反射，或其他探测媒介类似于反射的一种“进程”。
       进一步，测量到该物体的不同两点，可得到一根线段；测量到该物体的不同三点，可得到一个平面区域；测量到该物体的不同边界点，可得到该物体的轮廓。
       ——最少得前提是能通过测量，分辨该物体的不同两点。
       此不同两点的距离越短，科学仪器越需要更短波长的光子，如此表示这些光子的能量会更高；
       如使用其他探测媒介，同样其构成粒子的能量会更高。

       如此能量高到一个程度，使用可见与不可见光线的测量，其过程中，光子撞到物体时可以产生黑洞，
       这个黑洞可以“吞噬掉”光子而让测量失败——得不到测量结果；
       使用其他探测媒介，同样因为能量过高的“黑洞效应”，使得测量结果得不到。

       衡量以上“失效”行为，存在一个阀值，可用对应的测量长度（不同两点的距离）加以表征，这就是“普朗克长度”。

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       普朗克长度的值约为10^(-33 )厘米，即10^(-35 )米。
       因此，当线段不断一分为二、丢弃其一半，到剩下线段长度短于普朗克长度，
       我们无法判定是是否能一分为二，即使用了最先进的科学仪器。

       同理，物质是否总是无限可分，我们无法判断、无从真实，
       因为当剩下物质的直径（其上两点的最长距离）小于普朗克长度时，
       即使使用了最先进的科学仪器，我们也无从测量其上的变化。

       总结，从实证角度，“物质并非无限可分”、“事物并非总可以一分为二”。
       换言之，从实证角度，物质只能作有限“分解”，事物只能有限次地“一分为二”。

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       与普朗克长度相对应，还有普朗克时间。
       普朗克时间约为10^(-43)秒。
       由于速度等于距离除以时间，因此时间等于距离除以速度。两者的换算是：
       普朗克长度等于普朗克时间乘以光速，普朗克时间等于普朗克长度除以光速。

       如果一个事件发生的间隔时间在普朗克时间之内，我们即使使用了最先进的科学仪器，也无从分辨出该事件发生的开始和结束。
       所有在普朗克时间内发生的事情，都只能视为同一件事情。

半剑飘东半剑西

       利用普朗克时间和普朗克长度，笔者将传统宇宙学的“大爆炸”理论，加以改造，从而得到“宇宙有限论”的一种尽量科学的解释。
     “大爆炸宇宙论”（The Big Bang Theory）是在包含目前的近四十年来的教科书理论。

     “The Big Bang Theory”认为：宇宙是由一个致密炽热的奇点于137亿年前一次大爆炸后膨胀形成的。
       奇点是0维的一个孤立点；0维指没有长度(x轴)、没有宽度(y轴)、没有厚度(z轴)。
       大爆炸的通俗解释是：在“原初”时段，宇宙体系在不断地膨胀，使物质密度从密到稀地演化，如同一次规模巨大的爆炸。

       笔者的修改是，宇宙的“原初”不是0维，不是处于一个奇点（孤立点），而是3维的，
       只是“原初宇宙”的长度(x轴)、宽度(y轴)、厚度(z轴)，都在普朗克长度之内，无从测量。
    “原初宇宙”处于极度炽热状况，温度之高，已达到10^32 K(K为开尔文温度符号)；
       而“原初宇宙”，尚未发生“大爆炸”的宇宙，经历时间，在普朗克时间之内；
      即是：
      在时间轴的t=0到10^(-43)秒之间，宇宙的三个维度的长度均在普朗克长度之内。

      因此，在宇宙的“原初”时段，即在时间轴的t=0到10^(-43)秒之间，宇宙是有限的，
      宇宙可以包含在一个长、宽、高均为10^(-35 )米的正方体之内。

     在宇宙的“原初”时段，宇宙的体积在10^(-105 )立方米之内——因而有限。

凌妙颜

如果宇宙有限，那么宇宙存在于什么空间呢？