我們宇宙的中心并不存在。一位物理學(xué)家解釋了原因。

大約一個世紀前，科學(xué)家們正在努力調(diào)和這個領(lǐng)域看似矛盾的事實阿爾伯特·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、不動和不變。簡而言之，愛因斯坦認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)家用強大的望遠鏡觀察遙遠星系的夜空時，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——事實是，相反，擴展.

科學(xué)家們很快意識到，愛因斯坦的理論實際上并沒有說宇宙必須是靜止的;該理論也可以支持一個膨脹的宇宙。事實上，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，表明宇宙實際上是充滿活力和不斷發(fā)展.

我花了幾十年時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，圍繞著一個不斷膨脹的宇宙的想法可能會讓人望而生畏——而挑戰(zhàn)的一部分是壓倒你對事物如何運作的自然直覺。

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。

星系之間的空間

首先，讓我們定義 “擴展” 的含義。在地球上，“擴張”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”，宇宙也是如此。將望遠鏡對準(zhǔn)遙遠的星系，它們都會出現(xiàn)遠離我們.

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

這個想法很微妙，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中心點向各個方向飛出。

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

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

一個常見的類比是想象在氣球表面貼一些點。當(dāng)您將空氣吹入氣球時，氣球會膨脹。因為這些點卡在氣球的表面上，所以它們之間的距離會更遠。

盡管它們看起來在移動，但這些點實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，雖然這個類比是一個好的開始，但它也沒有完全正確地說明細節(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，但你不能在不離開表面的情況下向上或向下移動。

現(xiàn)在聽起來我們在這里命名了四個方向 - 前進、向后、向左和向右 - 但這些只是沿著兩條基本路徑的運動：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，包括向上或向下 - 長度、寬度和高度。

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

但在這個類比中，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，只要你愿意，你永遠不會到達一個你可以稱之為它中心的地方，因為你永遠不會真正離開表面。

同樣，你可以在宇宙中的任何方向旅行，但永遠找不到它的中心，因為，就像氣球的表面一樣，它根本沒有.

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

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

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

因此，在詢問宇宙的中心時，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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