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太阳系中心是太阳,银河系中心是黑洞,那么宇宙中心是什么?

IP属地 北京 编辑:陈阳 宇宙时空 时间:2024-10-19 17:01:08

简单讲,宇宙没有中心(或者说宇宙处处都是中心,两者并不矛盾)!

按照宇宙的标准理论解析,宇宙起始于约138亿年前的“大爆炸”,至今仍旧在不断地向四面八方拓展。这股扩张并没有中心点;四周的任何角落都在发生同样的事。大爆炸并非我们通常所理解的爆炸事件;宇宙并非由一个点向外扩展至空间之中;相反,整个宇宙正处于不断的膨胀之中,根据我们的认知,所有角落都处于均匀的膨胀状态。

1929年,埃德温·哈勃宣称测量了距离我们远近不同的星系移动速度,他发现星系越远,撤退的速度越快。这或许让人误以为我们正处于宇宙扩张的中心地带,然而,事实是,如果宇宙遵循哈勃定律均匀地扩张,那么从任何角度看,宇宙都呈现如此状态。

举例说明,假设一个B星系以10,000千米/秒的速度离我们而去,位于B星系的外星生物看向我们所在的A星系,也会觉得A星系以相同的速度在相反方向远离他们。而与B星系同向、两倍距离的C星系,我们观测到它以20,000千米/秒的速度撤退,而对于B星系的外星生物来说,C星系的撤退速度则是10,000千米/秒。

于是,在B星系的外星生物眼中,所有的天体都从他们的方向外移,无论从哪个方向望去,他们的视觉效果都与我们的一样。

有名的气球比喻法

一个将宇宙膨胀形象化的有效方法是将宇宙比作一个正在膨胀的气球表面。这个比喻早在1933年就被亚瑟·爱丁顿在其著作《膨胀着的宇宙》中提出。到了1960年,弗雷德·霍伊尔在其畅销书《宇宙的本质》中又提及此比喻。

霍伊尔这样写道:“我的那些对数学不太感兴趣的朋友们,他们常常告诉我,很难在没有大量数学模型的辅助下,想象宇宙的膨胀过程。实际上,如果不借助一个表面布满点的气球作为比喻,我几乎无法更形象地描述这一过程。如果这个气球爆炸,那么这些点之间的距离会与星系间距离的增加方式相同。”

尽管气球比喻法十分有效,但必须要正确理解它——否则会带来更多的困惑。正如霍伊尔所说:“有几点是人们常会误解的。”理解三维空间与气球二维表面的比较,以及气球表面的均匀性非常重要,因为在气球表面的任何一点都不应该被看作中心。气球本身的中心并不位于表面,因此不应被看作是宇宙的中心。如果这种比喻有助于理解,你可以想象气球的径向代表时间。霍伊尔曾提出这一概念,但这种理解也有其难懂之处。

最佳的做法可能是将表面的点视为与宇宙无关,正如高斯在19世纪初所发现的,空间的特性如曲率可以用可以测量的固有量来描述,而不需要考虑曲率所包含的具体内容。因此,空间可以是弯曲的,而无需考虑其他额外的“外围”维度。高斯甚至尝试通过测量三个山顶间形成的大三角形的角度来确定空间的曲率。

在思考气球比喻法时,需要牢记:

气球的二维表面类似于宇宙的三维空间

嵌入气球的三维空间与任何高维度物理空间不同

气球中心与任何物理对象无对应关系

宇宙的尺寸可能是有限的,像气球表面一样膨胀,但也可能无限

星系像膨胀的气球上的点一样相互分离,但星系本身并未膨胀,因为它们受引力束缚

...然而,如果大爆炸是一次爆炸

在传统爆炸中,物质会从爆炸中心点向外飞散。爆炸发生后的短暂时间内,中心点的温度是最高的,接着一个球形壳体从中心向外扩散,直至受到重力作用降落至地面。然而,大爆炸——根据我们目前的认知——并非一次传统意义上的爆炸。它是空间的爆炸,而非太空的爆炸。根据标准模型,大爆炸之前不存在空间和时间,甚至没有“之前”这一概念。因此,大爆炸与我们通常理解的爆炸大相径庭,它不需要一个中心点。

如果大爆炸发生在我们已知的宇宙空间中,是一次普通的爆炸,那么我们应能向外看到一片空旷的空间,看到正在扩张的边缘。但实际上,我们看到的是大爆炸本身,并从早期宇宙的热气体中发现了微弱的背景光。“宇宙微波背景辐射”在各个方向都均匀分布,这告诉我们,从一个点向外扩展并非问题,空间本身就可以均匀地膨胀。

重要的是,其他研究结果也支持这样一个观点,即宇宙没有中心,至少在观测能力所及的范围内。宇宙均匀膨胀的事实并不排除存在所谓的中心,即更为密集、温度更高的区域,但深入研究星系的分布和运动,我们证实了在我们所能观察到的最大范围内,宇宙是同质的,没有任何特殊点可以被称为中心。

宇宙学原理

宇宙在大尺度上是均匀的(均匀、各向同性)的观点,由亚瑟·米尔恩在1933年提出,作为宇宙学原理。在此之前,一些天文学家认为宇宙仅由我们的星系组成,银河系中心即为宇宙中心。1924年,哈勃终结了这场争论,证明了我们星系之外还存在其他星系。尽管星系分布中存在大量结构,但许多宇宙学家依然坚守宇宙学原理,无论是出于哲学原因,还是因为这一假设在没有观察到明显缺陷的情况下有效成立。然而,由于光速限制以及大爆炸以来有限时间的束缚,我们所观察到的部分虽然庞大,但与整个宇宙相比仍然微小,我们无法得知可观察视界之外的宇宙形状,也无法确定宇宙学原理是否在最大距离上仍然成立。

1927年,乔治·勒梅特找到了爱因斯坦广义相对论中描述空间扩张的解决方案。他接着提出大爆炸理论,并将这些解决方案作为宇宙膨胀的模型。勒梅特最著名的解决方案即为现称为弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃克模型(FLRW模型)。(弗里德曼虽首先提出,但起初并未被视为合理的物理模型。)鲜为人知的是,勒梅特发现了一类更为普遍的解决方案,他描述了一个球形对称的膨胀宇宙。这一解决方案现被称为勒梅特-托尔曼-邦迪模型(LTB模型),它描述了存在中心的宇宙可能形式。由于FLRW模型实际上是LTB模型的特殊条件限制,我们无法确定LTB模型是否正确。FLRW模型可能只是一个很好的近似,在可观察的宇宙中运作良好。

当然,宇宙中可能存在许多其他形状,甚至更加不规则的结构,我们无法确定是否存在中心。如果事实证明中心位于可观察宇宙之外的一定范围内,那么这个中心可能只是更大尺度上的众多“中心”之一,正如我们银河系的中心曾经所扮演的角色。

换句话说,虽然标准的大爆炸模型描绘了一个无中心的膨胀宇宙,并且这与所有观测结果相符,但仍可能存在一些模型,在比例上与我们可观察到的宇宙并不完全相符。最终,关于“宇宙是否有中心”这一问题,我们还没有明确的答案。

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