专家探寻宇宙中心何在

随着宇宙的不断膨胀，科学家们很难确定它的中心在哪里。

（图片来源：美国国家航空和航天局/喷气推进实验室-加州理工学院/斯·斯托洛维 (斯皮策科学中心/加州理工学院)）

本文最初发表于对话（解释型新闻网）。该出版物将这篇文章贡献给了太空网的专家之声：评论与见解。

大约一个世纪前，科学家们曾努力调和阿尔伯特·爱因斯坦广义相对论中一个看似矛盾的地方。

该理论于1915年发表，并已被全球物理学家和数学家广泛接受，它假设宇宙是静态的——不变、不动、永恒。简而言之，爱因斯坦认为宇宙今天的大小和形状，或多或少与它一直以来的一样。

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但是，当天文学家用强大的望远镜观测夜空中遥远的星系时，他们看到的迹象表明宇宙绝非如此。这些新的观测表明了相反的情况——宇宙正在膨胀。

宇宙中的尘埃和气体云与恒星混合在一起。（图片来源：美国国家航空和航天局/喷气推进实验室-加州理工学院/斯·斯托洛维(斯皮策科学中心/加州理工学院)）

科学家们很快意识到，爱因斯坦的理论实际上并没有说宇宙必须是静态的；该理论同样支持一个膨胀的宇宙。事实上，通过使用爱因斯坦理论提供的相同数学工具，科学家们创建了新的模型，表明宇宙实际上是动态的和不断演化的。

我花了数十年时间试图理解广义相对论，包括在我目前作为物理学教授教授该学科课程的工作中。我知道，将宇宙在不断膨胀的念头在头脑中打转 就可能会让你感到难以应对——部分挑战在于需要超越你关于事物运作方式的自然直觉。例如，很难想象像宇宙这样巨大的东西竟然根本没有中心，但物理学说这就是现实。

星系之间的空间

首先，让我们定义一下"膨胀"是什么意思。在地球上，"膨胀"意味着某物正在变大。对于宇宙来说，在某种程度上，这也是对的。膨胀也可能意味着"一切都在远离我们"，对于宇宙来说，这也是正确的。用望远镜指向遥远的星系，它们看起来确实都在远离我们。

更重要的是，它们离得越远，看起来移动得越快。那些星系彼此之间似乎也在远离。因此，更准确的说法是，宇宙中的一切都在同时相互远离。

显示我们宇宙时间线的示意图，从大爆炸至今。图片来源：图片来源：鲁宾天文台/国家光学-红外天文研究实验室/斯坦福直线加速器中心/美国国家科学基金会/美国能源部/大学天文研究协会

这个想法微妙但关键。人们很容易把宇宙的创造想象成烟花的爆炸：从大爆炸开始，然后宇宙中的所有星系从某个中心点向各个方向飞出。

但这个类比并不正确。它不仅错误地暗示宇宙膨胀始于一个单一的点（事实并非如此），而且还暗示星系是移动的物体，这并不完全准确。

与其说是星系在彼此远离，不如说是星系之间的空间，即宇宙结构本身，随着时间的推移在持续膨胀。换句话说，并非星系本身在宇宙中移动；更像是宇宙本身在膨胀的过程中将它们带向更远的地方。

一个常见的类比是想象在气球表面贴一些点。当你向气球吹气时，它会膨胀。由于点固定在气球表面，它们之间的距离会变大。尽管这些点看起来在移动，但它们实际上就待在原地，它们之间距离的增大仅仅是由于气球的膨胀。

现在，把点想象成星系，把气球想象成宇宙的结构，你就开始明白这个道理了。

不幸的是，虽然这个类比是个好的引入，但它在细节上也不完全正确。

一位艺术家关于早期宇宙膨胀景像的代表画作（图片来源：约翰·维基百科1028 通过 维基共享资源）

第四维度

对于任何类比，理解其局限性都很重要。一些缺陷是显而易见的：气球小到可以放在手里——但宇宙并非如此。另一个缺陷则更为微妙。气球有两部分：它的乳胶表面和充满空气的内部。

气球的这两个部分在数学语言中的描述是不同的。气球的表面是二维的。如果你在上面行走，你可以向前、向后、向左或向右移动，但你不能离开表面向上或向下移动。

现在听起来我们好像指出了四个方向——前、后、左、右——但这些只是沿着两条基本路径的运动：左右和前后。这就是为什么表面是二维的——长度和宽度。

另一方面，气球的内部是三维的，所以你可以自由地向任何方向移动，包括向上或向下——长度、宽度和高度。

这就是困惑所在。我们认为气球"中心"是位于其内部某处的一个点，在表面之下充满空气的空间里。

但是在这个类比中，宇宙更像气球的乳胶表面。气球充满空气的内部在我们的宇宙中没有对应物，所以我们不能使用这部分的类比——只有表面是重要的。

因此，问"宇宙的中心在哪里？"有点类似于问"气球表面的中心在哪里？"根本不存在这样一个中心。你可以沿着气球的表面向任何方向旅行，无论走多久，你永远无法到达一个可以称之为中心的地方，因为你从未真正离开过表面。

同样地，你可以向宇宙的任何方向旅行，但永远找不到它的中心，因为就像气球的表面一样，它根本就没有中心。

阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列（ALMA）捕捉到的"宇宙空洞"显示了已知最大星系团之一RX J1347.5–1145所在的一个暗斑。（图片来源：图片来源：鲁宾天文台/国家光学-红外天文研究实验室/斯坦福直线加速器中心/美国国家科学基金会/美国能源部/大学天文研究协会

这部分原因之所以如此难以理解，是因为宇宙是用数学语言描述的。气球的表面是二维的，气球的内部是三维的，但宇宙存在于四维之中。因为这不仅仅是关于事物在空间中如何运动，还关乎它们在时间中如何运动。

我们的大脑习惯于分别思考空间和时间。但在宇宙中，它们交织成一个单一的结构，称为"时空"。这种统一改变了宇宙的运行方式，相对于我们直觉所期望的方式。

而这个解释甚至还没有开始回答某种东西如何能够无限膨胀的问题——科学家们仍在试图找出是什么驱动着这种膨胀。

因此，在探寻宇宙中心的过程中，我们正面临着自身直觉的局限。我们找到的答案——一切事物同时到处扩张——只是对我们宇宙有多么奇特和美丽的一瞥。

BY:Rob Coyne

FY:水天清

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