宇宙從大爆炸開始並一直膨脹,那麼宇宙是否有中心?

2019-12-07     量子科學論

「我想站在儘可能靠近邊緣的地方,因為在邊緣你可以看到所有你在中心看不到的東西。「——庫爾特·馮內古特

在日常生活中,所有的事物都有個界限,都有個中心,那宇宙的中心在哪裡?從我們地球看所有的星系都在遠離我們,那地球是宇宙的中心嗎?關於宇宙的膨脹、大爆炸、暗能量以及「中心」的概念,我們有很多誤解。下面我們就看下,宇宙的局部和整體運動是怎樣的?

宇宙局部區域的運動方式

我們先從地球在宇宙中的旅程開始。上圖是信使號宇宙飛船在飛往水星的途中順帶拍攝的地球照片。為什麼要在這裡提地球呢?因為就在幾個世紀以前,人們還認為地球是太陽系的中心,並且是靜止的,不自轉,也不繞太陽公轉。從地心說到日心說,我們人類對宇宙的認知走過了漫長的道路。

現在我們知道地球不僅不是太陽系的中心,而且也不是靜止的,太陽系裡的任何天體都不是。地球和其他行星圍繞著共同的質心公轉。然而這個共同的質心也在太空中運動,沿著穩定的軌道穿越銀河系。其實我們看過很多太陽系在銀河系運動的照片,但是有些照片略帶些偏差。

其實我們的整個太陽系幾乎保持在一個恆定的平面上,行星在運動中並沒有滯後,就像下圖那樣!奧爾特雲則是一個稀疏的橢球體圍繞著太陽系,一起在銀河系中運動。

但這還不是全部!銀河系本身也不是靜止的,它的中心也不是靜止的。因為我們的星系不僅在旋轉,而且在空間中移動。這是因為銀河系周圍到處都是引力源:

  • 在銀河系周圍有其他星系
  • 星系群和星系團,
  • 星系間的氣體和暗物質
  • 這些星系之間的引力會發生相互作用

所以不僅是銀河系,所有的星系、星系群和星系團都在發生著相對運動。這些都只是宇宙的局部運動。

整個宇宙的運動運動方式

但是在宇宙中更重要的不是這些星系的局部運動,而是整個宇宙的運動。在最大的尺度上,星系並不是簡單地由於引力的影響而移動,而是宇宙整體的膨脹影響著宇宙中的一切。但宇宙的膨脹方式通常想起來並不直觀。

當我們想到某種東西在膨脹時,我們通常會和生活中的爆炸聯繫在一起,就像過年放的炮竹,所有的碎片都離彼此越來越遠。我們在太空中也有很多這樣的爆炸事件,比如一次II型超新星爆發,它將恆星燃燒後的核燃料拋灑到星際介質中。

在一場典型的爆炸中所有不同的部分都在相互膨脹,但這是因為爆炸的推力,而不是因為空間本身在膨脹。但這種形式和「宇宙大爆炸」或「正在膨脹的宇宙」沒有關係。

相反,我們需要把空間想像成一個膨脹的氣球。在氣球的二維表面上粘著硬幣。如果我們往氣球里吹氣,氣球就會膨脹,我們把每一枚硬幣看作一個星系,或者是一個觀察者。這才是宇宙的膨脹方式,當然這是二維表面對三維空間的描述。

從任何星系的角度看,所有其他星系都在遠離彼此。那些離你較遠的星系似乎退行得更快,而那些離你較近的星系退行速度就沒有那麼快。

但是從任何星系的角度來看,我們會發現完全一樣的規律。如果以遠離自己的方式判斷自己是宇宙的中心,那另外一個星系又會覺得自己才是宇宙的中心。

在廣義相對論的背景下,在一個不斷膨脹的宇宙中,不僅沒有中心,而且沒有首選的觀察者,也就是說沒有任何「特權」星系。因此不會有任何的觀察者會認為自己才是宇宙的中心。

然而,總的來說,宇宙正在發生一場控制膨脹的競賽。

這是一場引力和膨脹之間的競賽,一場從大爆炸就已經開始的競賽,或者說從宇宙第一次被描述為熱的、稠密的膨脹狀態的那一刻開始,引力就和膨脹率發生著競爭。隨著時間的推移,膨脹率下降,宇宙冷卻了下來。

大爆炸並不是一個有中心的爆炸,也不是一個可以被描述為我們可觀測宇宙起源的單一位置。更確切地說,據我們所知,宇宙中充滿了物質和輻射,它們在所有地方同時處於高溫狀態,這就是我們所說的大爆炸。

至於宇宙是如何膨脹的,那是由它裡面的物質決定的,不同的區域有不同數量的物質。這就是為什麼在早期宇宙中,我們會看到宇宙微波背景的波動。

這些「熱點」(紅色)和「冷點」(藍色)對應的是物質略多於或略少於平均值的地方。擁有更多物質的區域將成長為星系、星系群甚至星系團,而擁有較少物質的區域則不會,因為最大的低密度區域會放棄所有物質,變成巨大的空無一物的宇宙空洞。

最大的超密區域可以阻止局部的膨脹,形成銀河系質量的數千倍的區域。但在最大的尺度上,不僅膨脹占上風,而且膨脹不再由物質或輻射主導,而是由暗能量主導,這是在廣義相對論的背景下解釋今天觀測到的膨脹率的唯一方法。

總結一下:

我們要理解的是,大爆炸並不是發生在一個點上,而是大爆炸同時發生在我們宇宙的每一個地方,所有的位置都經歷了大致相同的膨脹,密度的不完美導致了星系、星系群和星系團以及宇宙空隙,暗能量通過宇宙的加速膨脹率向我們展示了自己的存在。

這就是大爆炸發生的方式,在宇宙中的每一個地方同時發生,空間也在宇宙的任何地方被創造出來,因此我們的宇宙沒有一個中心的概念。

文章來源: https://twgreatdaily.com/zh-hk/qGNe7m4BMH2_cNUgspDb.html