我們宇宙的中心并不存在。一位物理學(xué)家解釋了原因。

大約一個(gè)世紀(jì)前，科學(xué)家們正在努力調(diào)和這個(gè)領(lǐng)域看似矛盾的事實(shí)阿爾伯特·愛因斯坦的廣義相對論.

1915 年出版，并且已經(jīng)被物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家在全球范圍內(nèi)廣泛接受，該理論假設(shè)宇宙是靜態(tài)的——不變、不動(dòng)和不變。簡而言之，愛因斯坦認(rèn)為今天宇宙的大小和形狀或多或少與以前一樣。

但是，當(dāng)天文學(xué)家用強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡觀察遙遠(yuǎn)星系的夜空時(shí)，他們看到了宇宙并非如此的跡象。這些新的觀察表明了相反的情況——事實(shí)是，相反，擴(kuò)展.

科學(xué)家們很快意識到，愛因斯坦的理論實(shí)際上并沒有說宇宙必須是靜止的;該理論也可以支持一個(gè)膨脹的宇宙。事實(shí)上，通過使用愛因斯坦理論提供的相同數(shù)學(xué)工具，科學(xué)家們創(chuàng)建了新的模型，表明宇宙實(shí)際上是充滿活力和不斷發(fā)展.

我花了幾十年時(shí)間試圖理解廣義相對論，包括我現(xiàn)在的工作作為物理學(xué)教授教學(xué)課程關(guān)于主題.我知道，圍繞著一個(gè)不斷膨脹的宇宙的想法可能會(huì)讓人望而生畏——而挑戰(zhàn)的一部分是壓倒你對事物如何運(yùn)作的自然直覺。

例如，很難想象像宇宙這樣大的東西根本沒有中心，但物理學(xué)表明這就是現(xiàn)實(shí)。

星系之間的空間

首先，讓我們定義 “擴(kuò)展” 的含義。在地球上，“擴(kuò)張”意味著某物越來越大。就宇宙而言，這在某種程度上是真的。膨脹也可能意味著“一切都離我們越來越遠(yuǎn)”，宇宙也是如此。將望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)遙遠(yuǎn)的星系，它們都會(huì)出現(xiàn)遠(yuǎn)離我們.

更重要的是，它們離得越遠(yuǎn)，它們移動(dòng)得就越快。這些星系似乎也在彼此遠(yuǎn)離。所以更準(zhǔn)確地說，宇宙中的一切都在變得遠(yuǎn)離其他一切，一次全部完成。

這個(gè)想法很微妙，但很關(guān)鍵。很容易把宇宙的創(chuàng)造想象成爆炸的煙花：從大爆炸，然后宇宙中的所有星系都從某個(gè)中心點(diǎn)向各個(gè)方向飛出。

但這個(gè)類比是不正確的。它不僅錯(cuò)誤地暗示宇宙的膨脹始于一個(gè)點(diǎn)，但事實(shí)并非如此，而且還暗示星系是正在移動(dòng)的物體，這并不完全準(zhǔn)確。

與其說是星系彼此遠(yuǎn)離，不如說是星系之間的空間，宇宙本身的結(jié)構(gòu)隨著時(shí)間的推移不斷擴(kuò)大.換句話說，在宇宙中移動(dòng)的并不是星系本身;它不僅如此宇宙本身隨著它的擴(kuò)張，它們會(huì)帶得更遠(yuǎn)。

一個(gè)常見的類比是想象在氣球表面貼一些點(diǎn)。當(dāng)您將空氣吹入氣球時(shí)，氣球會(huì)膨脹。因?yàn)檫@些點(diǎn)卡在氣球的表面上，所以它們之間的距離會(huì)更遠(yuǎn)。

盡管它們看起來在移動(dòng)，但這些點(diǎn)實(shí)際上正好停留在您放置它們的位置，并且它們之間的距離僅僅由于氣球的膨脹而變得更大。

現(xiàn)在把這些點(diǎn)想象成星系，把氣球想象成宇宙的結(jié)構(gòu)，你就開始明白了。

不幸的是，雖然這個(gè)類比是一個(gè)好的開始，但它也沒有完全正確地說明細(xì)節(jié)。

第四維度

對于任何類比來說，重要的是理解它的局限性。一些缺陷是顯而易見的：氣球小到可以放在你的手里——宇宙不是這樣。另一個(gè)缺陷更微妙。氣球由兩部分組成：乳膠表面和充滿空氣的內(nèi)部。

氣球的這兩個(gè)部分在數(shù)學(xué)語言中的描述不同。氣球的表面是二維的。如果你在上面走來走去，你可以向前、向后、向左或向右移動(dòng)，但你不能在不離開表面的情況下向上或向下移動(dòng)。

現(xiàn)在聽起來我們在這里命名了四個(gè)方向 - 前進(jìn)、向后、向左和向右 - 但這些只是沿著兩條基本路徑的運(yùn)動(dòng)：左右和前后。這就是使表面具有二維 - 長度和寬度的原因。

另一方面，氣球的內(nèi)部是三維的，因此您可以在任何方向上自由移動(dòng)，包括向上或向下 - 長度、寬度和高度。

這就是混淆所在。我們認(rèn)為氣球的“中心”是氣球內(nèi)部某個(gè)地方的一個(gè)點(diǎn)，在表面下充滿空氣的空間中。

但在這個(gè)類比中，宇宙更像是氣球的乳膠表面。氣球充滿空氣的內(nèi)部在我們的宇宙中沒有對應(yīng)的空間，所以我們不能使用這部分的類比——只有表面才重要。

因此，問“宇宙的中心在哪里”有點(diǎn)像問“氣球表面的中心在哪里？根本就沒有。你可以沿著氣球表面向任何方向移動(dòng)，只要你愿意，你永遠(yuǎn)不會(huì)到達(dá)一個(gè)你可以稱之為它中心的地方，因?yàn)槟阌肋h(yuǎn)不會(huì)真正離開表面。

同樣，你可以在宇宙中的任何方向旅行，但永遠(yuǎn)找不到它的中心，因?yàn)椋拖駳馇虻谋砻嬉粯?，?a>根本沒有.

這如此難以理解的部分原因是因?yàn)橛脭?shù)學(xué)語言描述宇宙的方式。氣球的表面有兩個(gè)維度，氣球的內(nèi)部有三個(gè)維度，但宇宙存在于四個(gè)維度中。因?yàn)檫@不僅僅是關(guān)于事物在空間中如何移動(dòng)，還關(guān)于它們?nèi)绾坞S時(shí)間移動(dòng)。

我們的大腦天生就分開思考空間和時(shí)間。但在宇宙中，它們交織成一個(gè)稱為 ”時(shí)空."這種統(tǒng)一改變了宇宙相對于我們的直覺期望的運(yùn)作方式。

而這個(gè)解釋甚至沒有開始回答某物如何可以無限擴(kuò)展– 科學(xué)家們?nèi)栽谠噲D弄清楚是什么推動(dòng)了這種擴(kuò)張。

因此，在詢問宇宙的中心時(shí)，我們正在面對我們直覺的局限性。我們找到的答案 – 萬物，無處不在，同時(shí)膨脹 – 就是瞥見我們的宇宙是多么奇異和美麗。

羅伯·科恩， 物理學(xué)教學(xué)教授，羅德島大學(xué)

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