宇宙中心在哪里？

Daphane · 发表于 2019-9-6 04:28:05

來源:环球科学

虽然我们现在还无法观察到461亿光年外的宇宙，但随着时间的推移，宇宙更多的未知将逐一呈现。（图片来源：wikipedia）

　　138亿年前，一场大爆炸为宇宙漫长的演化之路拉开了序幕。如今，在回溯这一事件时，不知道读者有没有考虑过这样的问题：我们能找到宇宙大爆炸发生的准确地点吗？或者说，宇宙存在这样一个中心吗？
　　我们首先来看生活中普通的爆炸过程。对于一次爆炸，无论起因是什么，它都满足以下几个条件：爆炸发生在特定的位置；最初源自一个很小但有限的体积；爆炸迅速向外部各个方向膨胀。
　　当爆炸发生时，外部的一些物体会受到冲击，被巨大的推力以放射状推向远处。而较轻的物质在空间中飞行的距离更远，因此即使能量密度在爆炸的各个方向都下降了，但离爆炸中心越远，密度下降越快。因此，通过测定不同粒子的轨迹，我们能重建爆炸发生的地点。
　　但是，上述的爆炸图景，并不符合我们宇宙的情况。距离我们百万光年、甚至几十亿光年的区域，看起来与我们这里没有任何差别。在现有的宇宙空间中，各个区域的密度、能量和星系数量等，几乎是相同的。
　　到了更接近宇宙边缘的区域，情况开始出现变化。我们观测到，在数百亿光年外，天体的年龄与我们周围的天体不同。距离越远，天体更加年轻，数量更多但体型较小。尽管我们最远只能观察到300亿光年外的星系，但如果能追踪并重建每个天体的移动轨迹，让它们回到原点，我们将看到最不可思议的结果：宇宙“中心”就在我们身边。

图片来源：NASA / STScI / A。 Felid

　　当然，这样的结果并不能说明什么——毕竟是根据我们的观测范围进行的重建。那么，在宇宙的上万亿个星系中，我们所处的星系在最开始时恰好位于大爆炸中心的概率有多大？

　　推测宇宙起点？
　　要让我们处在宇宙的中心，最初的爆炸需要满足以下条件：
　　不规则、不均一的密度，
　　恒星诞生、星系生长的时间不同，
　　不同区域的能量存在巨大差异，
　　在所有方向上，都具有神秘的2.7K微波背景辐射。
　　但即使我们设计了很多解释，依旧无法理解许多观察结果。这种设计出的大爆炸场景不仅不真实，还违反了已知的物理学规律。
　　然而，我们的宇宙遵循万有引力定律，而爱因斯坦的广义相对论适用于一个充满物质和能量的宇宙，而不是爆炸时的宇宙。如果宇宙各处的物质处于均衡状态，具有同样的温度和密度，那么宇宙一定要么膨胀，要么在坍缩。由于我们观察到其他天体在后退，宇宙膨胀是唯一合理的解释。
　　一直以来，存在一种误解，即根据膨胀的宇宙，我们能推测宇宙最初膨胀的起点。这是不正确的，宇宙能被推回到一个具有明确特征的有限区域，但之后宇宙会根据万有引力定律演化。
　　这将导致宇宙各处不可避免地出现相同的特征。这也意味着，任何大小一致的空间区域，其密度、温度以及星系的数量总是一致的。我们还能看到随时间演化的宇宙：离我们越远的地方，反映出的是更古老的宇宙状态，膨胀程度较低、受引力的影响更小，星系的数量也更少。

哈勃望远镜不断拓展了可观测宇宙的范围，并向我们展示了一个星系类型、大小和密度随时间逐渐演变的宇宙。（图片来源：NASA， ESA， and Z。 Levay， F。 Summers）

　　一些遥远星系持续释放的光穿越膨胀的宇宙到达地球时，才能被我们检测到。这需要长达数十亿甚至百亿年的时间，因此我们看见的是星系数十亿甚至上百亿年前的状态。如果我们将时钟向后拨，回到大爆炸的瞬间，会发现宇宙最初是由辐射主导的，并不存在物质。只有在宇宙膨胀、冷却后，物质才变得重要。
　　随着宇宙膨胀和冷却，中性原子最终能稳定形成。曾经主导宇宙的辐射随着宇宙的膨胀，逐渐红移、冷却下来。今天，我们看到的宇宙微波背景辐射就是大爆炸后遗留的辐射，它可以在宇宙的任何地方被观测到。
　　宇宙一定存在一个中心吗？不一定，这只是我们的认知偏见。我们知道，大爆炸发生的区域有一个相当于足球大小的下限，但它没有上限，甚至可能是无限的。
　　如果宇宙真的有一个中心，它可能在任何地方，并且由于我们观测到的宇宙范围有限，我们有可能无从得知。我们需要看到宇宙的边缘，或者观察到它在宇宙尺度上的各向异性。然而，根据现有的观测，宇宙是均一的。

拉尼亚凯亚超星系团，图中红点为银河系所处的位置。（图片来源：Nature）

　　“宇宙到处都在膨胀”
　　“宇宙是从哪里开始膨胀的？”这个问题听起来很合理。但一旦你理解了前文的讨论，你就会发现这是个完全错误的问题。“在某一刻，宇宙到处都在膨胀”，可能就是这个问题的答案。很大程度上，“大爆炸”不是指宇宙中的特定区域，而是一个特殊时刻。
　　这就是大爆炸的本质：一个曾今在特定时刻发生的事件，不仅影响了整个可观测宇宙的状态，还可能是波及到了比它大得多的区域。这就是为什么，当我们看见某个遥远的天体时，我们看到的其实是它在遥远过去的某个时刻。这就是为什么无论我们看向哪里，宇宙在任意方向上的特征都基本一致。这就是为什么我们可以通过观测天体的演化来追溯宇宙的历史。
　　基于现有的理论和观测，仍然存在大量的未知。我们不知道宇宙的实际大小，只能根据可观测宇宙的范围设定一个下限：半径至少是461亿光年。
　　我们不知道宇宙的空间结构，是一个正曲率的球体还是负曲率的马鞍，还是完全平坦，形似纸片或圆柱体。我们不知道它是会持续弯曲至首尾相接，还是会永远膨胀下去。我们所知道的一切都是基于所观察到的。目前的观测支持这样的结论：宇宙是无限大的平坦空间。但相反的信息或许就存在于下一组重要的观测数据中，也可能在可观测宇宙的范围之外。重要的是，我们要继续探索。
　　我们之所以还不能真正理解宇宙的本质，是因为我们接触到的宇宙空间十分有限。即使我们开发出强大的探测器，能从宇宙中收集的信息也是有限的。或许，我们可能永远都不知道宇宙是否有边界、宇宙的几何形状是什么。
　　不管你把宇宙的结构看作一条正在发酵的葡萄干面包，还是一只粘着硬币的膨胀气球，需要记住的是，我们可以观测的宇宙空间很可能只是宇宙很小的部分。我们的观测，还只是为宇宙设置了一个下限。宇宙可能是有限的，也可能是无限的，但可以肯定，宇宙正在膨胀，密度越来越小，更远的物体表现的是宇宙更早以前的形态。

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