在广袤无垠的宇宙中,人类对其的探索从未停止。宇宙的奥秘如同一个巨大的谜团,吸引着无数科学家和研究者不断追寻答案。宇宙的起始与扩张,是这个谜团中至关重要的部分。
约 138 亿年前,一次剧烈的事件——大爆炸,开启了宇宙的演化之旅。在那一瞬间,宇宙从一个极高密度和温度的点开始迅速膨胀。
随着时间的推移,宇宙不断向外扩张,这种扩张并非在固定空间中进行,而是空间本身在持续延展。
天文学家埃德温·哈勃通过测量不同距离星系的移动速度,发现了一个令人震惊的现象:距离越远的星系,其远离我们的速度越快。这一发现为我们理解宇宙膨胀提供了重要依据,表明宇宙正在以一种均匀的方式向外膨胀。
不过,从我们的观测点来看,似乎我们处于宇宙扩张的中心,但这其实是一种错觉。实际上,如果宇宙遵循哈勃定律均匀扩张,那么从任何一个观测点观察,宇宙的状态都是一致的。
这就如同在一个无限的空间中,每个点都在以相同的方式参与着宇宙的膨胀。为了更直观地理解宇宙膨胀,科学家们提出了气球比喻法。将宇宙比作一个正在膨胀的气球表面,星系则如同气球表面上的点。
当气球膨胀时,点与点之间的距离会不断增大,这与星系之间的距离增加方式颇为相似。这个比喻最早由亚瑟·爱丁顿提出,后来雷德·霍伊尔在他的著作中也有所提及。
然而,我们需要正确理解这个比喻,避免产生误解。气球的二维表面类似于宇宙的三维空间,但气球表面的任何一点都不应被视为中心,因为气球的中心并不在表面上,同样,宇宙也不应有一个特定的中心。大爆炸并非我们通常所理解的传统爆炸。在传统爆炸中,物质会从中心向外飞散,形成一个球形壳体,并在重力作用下逐渐降落。
但宇宙大爆炸与此截然不同。在大爆炸之前,时间和空间的概念都尚未形成,甚至“之前”这个词在这里都失去了意义。
宇宙大爆炸是空间本身的剧烈膨胀,而不是物质从一个特定点向外扩散。我们所观测到的宇宙微波背景辐射,在各个方向上均匀分布,这表明空间本身是可以均匀地扩展的,而不需要从某个特定点向外扩展。宇宙学原理是研究宇宙的一个重要理论。该原理认为,宇宙在大尺度上是均匀且各向同性的。
这意味着,从宏观角度来看,宇宙的各个部分具有相似的性质,不存在特殊的方向或位置。亚瑟·米尔恩在 1933 年提出了这一原理。
在此之前,一些天文学家曾认为宇宙仅由我们的星系构成,认为银河系的中心就是宇宙的中心。然而,1924 年哈勃的发现证明了我们的星系之外还有其他星系的存在,这一发现终结了那种错误的观点。
尽管星系的分布中存在一定的结构,但许多宇宙学家依然坚持宇宙学原理,这不仅是出于哲学上的考虑,也是因为在没有明显缺陷的情况下,这一假设依然有效。
宇宙模型与中心问题一直是宇宙学研究的重要内容。关于宇宙是否有中心,目前仍存在诸多争议。
标准的大爆炸模型描绘了一个无中心的膨胀宇宙,并且该模型与目前的所有观测结果相符。然而,我们不能排除存在其他可能性。
例如,乔治·勒梅特发现的勒梅特 - 托尔曼 - 邦迪模型(LTB 模型)探讨了存在中心宇宙的可能性,但由于弗里德曼 - 勒梅特 - 罗伯逊 - 沃克模型(FLRW 模型)是 LTB 模型特定条件下的特殊情况,我们无法确定 LTB 模型的准确性,FLRW 模型可能只是一个适用于可观测宇宙的良好近似。勒梅特在爱因斯坦广义相对论的基础上,对空间扩张的解决方案进行了深入研究,并进一步发展了大爆炸理论。他最著名的成果是发现了被称为弗里德曼 - 勒梅特 - 罗伯逊 - 沃克模型(FLRW 模型),尽管弗里德曼更早提出了这一模型,但起初并未被广泛接受。
此外,勒梅特还发现了一类更为普遍的解决方案,即描述了一个球形对称的膨胀宇宙的 LTB 模型。这些理论和模型为我们理解宇宙的起源和演化提供了重要的思路。
可观察宇宙与中心的不确定性也是一个值得探讨的问题。由于光速的限制以及大爆炸以来的有限时间,我们所能观察到的宇宙虽然庞大,但与整个宇宙相比仍显得微不足道。
我们无法得知可观测视界之外的宇宙形态,也无法确定宇宙学原理在更大尺度上是否依然成立。
换句话说,虽然标准的大爆炸模型描绘了一个无中心的膨胀宇宙,但在可观测宇宙之外,是否存在一个明确的中心,我们依然不得而知。