在廣袤無垠的宇宙中,人類對其的探索從未停止。宇宙的奧秘如同一個巨大的謎團,吸引著無數科學家和研究者不斷追尋答案。宇宙的起始與擴張,是這個謎團中至關重要的部分。
約 138 億年前,一次劇烈的事件——大爆炸,開啟了宇宙的演化之旅。在那一瞬間,宇宙從一個極高密度和溫度的點開始迅速膨脹。
隨著時間的推移,宇宙不斷向外擴張,這種擴張並非在固定空間中進行,而是空間本身在持續延展。
天文學家埃德溫·哈勃通過測量不同距離星系的移動速度,發現了一個令人震驚的現象:距離越遠的星系,其遠離我們的速度越快。這一發現為我們理解宇宙膨脹提供了重要依據,表明宇宙正在以一種均勻的方式向外膨脹。
不過,從我們的觀測點來看,似乎我們處於宇宙擴張的中心,但這其實是一種錯覺。實際上,如果宇宙遵循哈勃定律均勻擴張,那麼從任何一個觀測點觀察,宇宙的狀態都是一致的。
這就如同在一個無限的空間中,每個點都在以相同的方式參與著宇宙的膨脹。為了更直觀地理解宇宙膨脹,科學家們提出了氣球比喻法。將宇宙比作一個正在膨脹的氣球表面,星系則如同氣球表面上的點。
當氣球膨脹時,點與點之間的距離會不斷增大,這與星系之間的距離增加方式頗為相似。這個比喻最早由亞瑟·愛丁頓提出,後來雷德·霍伊爾在他的著作中也有所提及。
然而,我們需要正確理解這個比喻,避免產生誤解。氣球的二維表面類似於宇宙的三維空間,但氣球表面的任何一點都不應被視為中心,因為氣球的中心並不在表面上,同樣,宇宙也不應有一個特定的中心。大爆炸並非我們通常所理解的傳統爆炸。在傳統爆炸中,物質會從中心向外飛散,形成一個球形殼體,並在重力作用下逐漸降落。
但宇宙大爆炸與此截然不同。在大爆炸之前,時間和空間的概念都尚未形成,甚至「之前」這個詞在這裡都失去了意義。
宇宙大爆炸是空間本身的劇烈膨脹,而不是物質從一個特定點向外擴散。我們所觀測到的宇宙微波背景輻射,在各個方向上均勻分布,這表明空間本身是可以均勻地擴展的,而不需要從某個特定點向外擴展。宇宙學原理是研究宇宙的一個重要理論。該原理認為,宇宙在大尺度上是均勻且各向同性的。
這意味著,從宏觀角度來看,宇宙的各個部分具有相似的性質,不存在特殊的方向或位置。亞瑟·米爾恩在 1933 年提出了這一原理。
在此之前,一些天文學家曾認為宇宙僅由我們的星系構成,認為銀河系的中心就是宇宙的中心。然而,1924 年哈勃的發現證明了我們的星系之外還有其他星系的存在,這一發現終結了那種錯誤的觀點。
儘管星系的分布中存在一定的結構,但許多宇宙學家依然堅持宇宙學原理,這不僅是出於哲學上的考慮,也是因為在沒有明顯缺陷的情況下,這一假設依然有效。
宇宙模型與中心問題一直是宇宙學研究的重要內容。關於宇宙是否有中心,目前仍存在諸多爭議。
標準的大爆炸模型描繪了一個無中心的膨脹宇宙,並且該模型與目前的所有觀測結果相符。然而,我們不能排除存在其他可能性。
例如,喬治·勒梅特發現的勒梅特 - 托爾曼 - 邦迪模型(LTB 模型)探討了存在中心宇宙的可能性,但由於弗里德曼 - 勒梅特 - 羅伯遜 - 沃克模型(FLRW 模型)是 LTB 模型特定條件下的特殊情況,我們無法確定 LTB 模型的準確性,FLRW 模型可能只是一個適用於可觀測宇宙的良好近似。勒梅特在愛因斯坦廣義相對論的基礎上,對空間擴張的解決方案進行了深入研究,並進一步發展了大爆炸理論。他最著名的成果是發現了被稱為弗里德曼 - 勒梅特 - 羅伯遜 - 沃克模型(FLRW 模型),儘管弗里德曼更早提出了這一模型,但起初並未被廣泛接受。
此外,勒梅特還發現了一類更為普遍的解決方案,即描述了一個球形對稱的膨脹宇宙的 LTB 模型。這些理論和模型為我們理解宇宙的起源和演化提供了重要的思路。
可觀察宇宙與中心的不確定性也是一個值得探討的問題。由於光速的限制以及大爆炸以來的有限時間,我們所能觀察到的宇宙雖然龐大,但與整個宇宙相比仍顯得微不足道。
我們無法得知可觀測視界之外的宇宙形態,也無法確定宇宙學原理在更大尺度上是否依然成立。
換句話說,雖然標準的大爆炸模型描繪了一個無中心的膨脹宇宙,但在可觀測宇宙之外,是否存在一個明確的中心,我們依然不得而知。