宇宙到底是有限还是无限,从逻辑角度思考这一问题的任何尝试,最后都让早期宇宙学家陷入了难以自拔的深深困惑。时至今日这个问题也没有一个很好的答案。但关于无限宇宙说在牛顿时代就带来了一个困惑,那时人们就意识到引力会让宇宙自发坍缩,对于这个问题牛顿为了稳定宇宙,向上帝伸出了援手。其中最著名的一道难题是本特利悖论,得名于跟牛顿同时代的一位名叫理查德·本特利(Bentley)的人。
本特利悖论—宇宙应该自发坍缩
本特利是一名学者,跟同时代的许多人一样,他有一个神学学位,后来他又在剑桥的三一学院获得了硕士学位。尽管本特利是一位古典学者和神学家,但在17世纪90年代,他花过一段时间讲授牛顿的物理学,还跟牛顿就一些问题互通过信函,其中就有他的悖论。
无限大的宇宙有无限大的引力?在牛顿的万有引力思想刚刚广为人知之时,把它应用在宇宙学上得到的后果似乎令人堪忧。如果所有东西都像牛顿说的那样相互吸引,本特利认为,随着时间的推移,每一颗恒星和行星都将被拉扯得相互靠近。最终,整个宇宙都会自我坍缩。如果宇宙无限大,情况只会变得更糟。这样一来,引力的总和本身就会无穷大,使得地球和太阳之类的天体不可能不被引力可怕的潮汐力撕成碎片。
如果真像本特利描述的那样,我们的宇宙无限大,带来无限大的引力,那宇宙将自发的坍缩,可事实上星系并没有大撞车。我们依旧活得好好的。
芝诺悖论—人兔赛跑,说明宇宙引力并非无穷大
关于引力无穷大这个问题并不是十分确定,这源于一个自古希腊时代就存在的数学戏法,即芝诺(Zeno)当年用大英雄阿喀琉斯(Achilles)和一只乌龟之间的赛跑来描述的一个悖论。阿喀琉斯可以说是他那个时代跑得最快的人,相当于如今的体育明星。他跟笨拙迟缓的乌龟进行了一场赛跑。考虑到伊索寓言—龟兔赛跑(大致与芝诺悖论出现在同一时代)里那场赛跑的结果,最后乌龟胜出也不至于太出人意料,毕竟乌龟都能跑赢兔子。但是与龟免赛跑结果不同的是,人的失败不是由懒惰和傲慢带来的。相反,给乌龟戴上胜利者桂冠的,是芝诺所采用的一种极端的运动机制。
人无法超感乌龟芝诺假设,阿喀琉斯非常大度地让乌龟先行;毕竟这很难说是一场公平的较量,而且阿喀琉斯还是一位大英雄。他允许乌龟在他前面相当远的地方开始起跑。一段短到惊人的时间之后(阿喀琉斯确实跑得飞快),我们的田径明星就抵达了乌龟的起点。不过,到此时为止,不管乌龟爬得有多慢,它都已经向前移动了一小段距离。它仍在领先。一段更短的时间之后,阿喀琉斯抵达了乌龟刚才的位置,但这段时间又让乌龟有机会向前挪动了一点。比赛就这样永无止境地持续下去,这就在逻辑上证明,阿喀琉斯始终在追赶乌龟,却永远无法赶超。
和值无法超过2的数列这个悖论反映的是,无穷多个数加在一起有可能得到一个有限值。只要想想这样一串数列相+:
1+1/2+1/4+1/8+1/16+1/32+1/64……
数列中的每一个数都让数列的和离数字2越来越近,但永远不会真正加到2。这个数列每一步的和依次是:
1,11/2,13/4,17/8,/16,/32,/64等等。
设想你已经加了上万亿项,现在加到了第n项。那么,“和”就应该是1+[(n-1)/n)。如果一个数列中的数变小的速度足够快,那么总和就只会是一个有限数。你大可把这个数列尽可能多地加下去,甚至加完无穷多项,但你得出的总数仍然永远不会超过2。这种不断的等分数列也可以说明,一条线可以无限等分,那我们穿过一条马路就需要无限多步,这意味着我们根本走不到路对面。
无限的宇宙,有限的引力这样一种有限的数列值可能为下面的想法提供了一个借口,即无限的宇宙可能不一定会产生无限的引力,因为引力会随着物体的远离而减弱。它减弱的速度足够快,就能够产生出这样的数列,因此或许无穷多颗恒星和行星仍然只会施加一个有限的引力。就算说明了引力并非无穷大,这也解决不了引力让宇宙坍缩的问题,也无法解决本特利最初提出的问题,即为什么所有的东西没有在一场恒星行星大车祸中碰撞在一起。关于这个问题牛顿也给出了自己的答案。
牛顿再一次向上帝伸出援手
事实上,牛顿更喜欢宇宙无限这个想法。他向本特利提议,如果所有东西都均匀分布在宇宙当中,让所有方向上的引力都相互抵销,本特利悖论就可以破解,所有东西都能保持稳定。然而,牛顿知道这种情况有多么脆弱:只要有一颗行星或者恒星的位置稍稍偏离一些,整个体系就会带着越来越大的动量冲撞在一起。
上帝之手总结一下:为了寻找解答,牛顿转而向上帝求助。与他那个时代的大多数科学家一样,牛顿有着虔诚的宗教信仰。他相信这种势能不稳定性不成问题,因为上帝之手始终把持着宇宙的舵杆,能够持续不断地微调以保证宇宙这一机械装置的正常运转。这里包含了非常复杂的隐喻,我觉得你能明白其中的意思。