宇宙有中心吗？：为什么这个科学问题挑战了我们想象力的极限

大约一个世纪前，科学家们正在努力调和阿尔伯特·爱因斯坦 （Albert Einstein） 的广义相对论中看似矛盾的东西。

该理论发表于 1915 年，已被物理学家和数学家在世界范围内广泛接受，它假设宇宙是静态的，也就是说，它不会改变，不会移动并且是不变的。

简而言之，爱因斯坦认为宇宙当前的大小和形状或多或少与以往相同。

但是，当天文学家用强大的望远镜凝视夜空遥远的星系时，他们看到了宇宙绝非如此的迹象。

这些新的观察表明了相反的情况：它正在扩大没过多久，科学家们就意识到，爱因斯坦的理论并没有声称宇宙必须是静止的，而是它也可以支持一个膨胀的宇宙。

事实上，使用与爱因斯坦理论相同的数学工具，科学家们创造了新的模型，表明宇宙实际上是动态和进化的。

几十年来，我一直在努力理解广义相对论，甚至在我目前担任物理学教授的课程时也是如此。

我知道，适应一个不断膨胀的宇宙的想法可能会令人生畏，而挑战的一部分是超越我们对事物如何运作的自然直觉。

例如，很难想象像宇宙这样大的东西没有中心，但物理学表明这就是现实。

星系之间的空间

首先，让我们定义 “扩展” 的含义。

在地球上，“膨胀”意味着某物正在生长。就宇宙而言，这或多或少是正确的。

膨胀也可能意味着“一切都在远离我们”，这与宇宙有关也是如此。如果我们用望远镜对准遥远的星系，它们似乎都在远离我们。更重要的是：它们离得越远，它们移动得越快。

这些星系似乎也在彼此远离。所以更准确地说，宇宙中的一切都在同时远离其他一切。这个想法很微妙，但很基本。

我们很容易把宇宙的创造想象成烟花：它从一次大爆炸开始，然后宇宙中的所有星系都从某个中心点向四面八方飞去。

但这个类比是不正确的。它不仅错误地暗示宇宙的膨胀是从一点开始的，这是不正确的，而且还暗示星系是运动的，这并不完全准确。

与其说是星系彼此远离，不如说是它们之间的空间，宇宙本身的结构，随着时间的推移而膨胀。

换句话说，不是星系本身在宇宙中移动，而是宇宙本身在膨胀时将它们移开。

一个常见的类比是想象几个点卡在气球的表面上。当您充气时，它会膨胀，并且当这些点靠近表面时，它们会移开。

尽管它们看起来在移动，但它们实际上仍然保持在你放置它们的地方，并且它们之间的距离仅仅由于地球的膨胀而增加。

现在想想这些点是星系，而球体是宇宙的结构，你就会开始明白这个想法了。

不幸的是，虽然这个类比是一个好的开始，但它也没有完全抓住细节。

第四维度

对于任何类比，了解其局限性都很重要。

有些缺陷是显而易见的。例如，气球很小，可以放在手里，但宇宙却不能。

另一个缺陷更微妙。气球由两部分组成：乳胶表面和充满空气的内部。

地球的这两个部分在数学语言中的描述不同。气球的表面是二维的。如果我们在上面行走，我们可以向前、向后、向左或向右移动，但不能在不离开表面的情况下向上或向下移动。

我们似乎在命名四个方向——向前、向后、向左和向右——但它们只是沿着两个基本轨迹的运动：左右和前后。这就是使表面二维的原因：长度和宽度。

另一方面，地球仪的内部是三维的，因此您可以在任何方向上自由移动，甚至是向上或向下移动：长度、宽度和高度。

这就是混淆所在。我们认为气球的“中心”是气球内部的一个点，位于表面下的充满空气的空间中。但在这个类比中，宇宙看起来更像是地球的乳胶表面。地球内部充满了空气，在我们的宇宙中没有对应的空间，所以我们不能使用这部分的类比：只有表面才重要。

因此，问宇宙的中心在哪里，就像问“地球表面的中心在哪里？根本没有。

只要你愿意，你可以沿着地球表面向任何方向旅行，而且你永远不会到达一个可以称之为中心的地方，因为你永远不会真正离开地球表面。

同样，你可以在宇宙中的任何方向旅行，但永远找不到它的中心，因为就像地球表面一样，它根本没有中心。

这如此难以理解的部分原因是因为用数学语言描述宇宙的方式。

气球的表面有两个维度，其内部有三个维度。但宇宙存在于四个维度中，因为它不仅关乎事物在空间中如何移动，还关乎它们如何在时间中移动。

我们的大脑被设计为分别思考空间和时间。但在宇宙中，它们交织在一个称为“时空”的单一结构中。

这种统一改变了宇宙的运作方式，与我们的直觉期望有关。

而这个解释甚至没有开始回答一个问题，即某物怎么可能无限膨胀：科学家们仍在试图弄清楚是什么推动了这种膨胀。

通过询问自己关于宇宙的中心，我们面临着直觉的局限性。

我们找到的答案——一切，一下子遍地撒弘——就是瞥见我们的宇宙是多么奇异和美丽。