我们的宇宙有中心吗？你如何理解？

潘金麟

要了解宇宙有没有中心，我们必须要了解宇宙的几何结构！还有一些维度的问题。

宇宙和可观测宇宙之分

首先要做到的是，区分“我们的宇宙”或者称之为可观测宇宙和“宇宙”之间的区别，“宇宙”包括了自大爆炸以来与我们联系在一起的所有东西，以及更多我们看不到的东西。

当我们望向黑暗的夜空，越过太阳系，穿过我们银河系中的恒星、气体和尘埃和我们附近的星系，进入看似永恒的广阔虚空，我们凝视的正是我们的可观测宇宙。

我们可以看到最远的可见星系，追溯到第一颗恒星形成之前，一直追溯到宇宙的黑暗时代，甚至是138亿年之前，当时的宇宙更小，温度更高，密度更大，而且没有中性原子形成的时期，所以我们在这个位置看到了残留的宇宙微波背景辐射（CMB）。在这之前宇宙从大爆炸开始仅仅存在了38万年。

这就是我们的可观测宇宙，从我们在空间中的位置以我们为中心能看到的部分非常接近球形，半径约为460亿光年。


但这并不意味着我们就是宇宙的中心。相反，当我们谈论宇宙的时候，我们必须在广义相对论这个物理理论的大背景下谈论空间。相对论告诉我们，空间不是平的，而是像三维网格一样会被物质和能量的存在所弯曲。

宇宙三种可能的形状：空间是平坦的

就像我们在地球上一样，小尺度上看起来是平的，但是整个地球确实有曲率的。宇宙也一样在最大的尺度上也可能有曲率，宇宙的曲率取决于不同类型物质和能量的成分以及宇宙的膨胀速度。宇宙可以是负曲率，在大尺度上连接任意三个点的三角形内角之和小于180度，也可以是正曲率，三角形内角和大于180度，或者是平坦的，就像在一张纸上画个三角形，内角之和恰好为180度。


不同的弯曲也会使两条直线要么在远处相交（正弯曲），要么发散（负弯曲），要么在距离更远的时候保持相同的相对角度（平坦）。

基于对我们宇宙的最佳观测，再加上我们对控制宇宙膨胀物理学的理解，我们不仅能够得出这样的结论：宇宙是平坦的，在我们最好的误差范围内误差仅在1%左右，而且我们无法观测到的宇宙的大小至少是我们能观测到的150倍。导致我们得出这一结论的最佳观测数据来自宇宙微波背景辐射。

假设我们对宇宙的物理理解是正确的，那么我们在宇宙中所处位置上观察宇宙的方式，在最大的尺度上与其他任何位置上的观察者所看到的宇宙没有什么不同。这里说的是大尺度！

但是在小尺度上，会有差异，比如星系是如何聚集在一起，以及物质的局部分布和流动。一些方向会有巨大的星系团，而另一些方向会有巨大的空洞；宇宙微波背景中的某些点在某些方向上会比平均温度更高或更低。这些细节对于位于空间不同位置的观测者来说是不一致的。

但是在最大的尺度上，任何一个不同位置的观察者都会发现一个看起来就像下图中的宇宙。虽然任何观察者能看到的部分都是一个以自己为中心的球体，球体的半径由大爆炸以来的光旅行的距离定义，但在所有的三维空间中，空间一直在膨胀，无论你试图观察什么方向，都会出现更多的宇宙。




整个宇宙的“中心”在哪呢？我们无法感知到的维度

一方面，空间的结构在最大的尺度上确实有一个整体的形状，这取决于宇宙的曲率。如果宇宙是正弯曲的，空间的形状就像一个球体，并且会向内收缩。如果宇宙完全是平的，空间仍然可以像一个圆环，或者一个圆柱体，也可以像一个甜甜圈一样，绕着自身旋转并与自身重新连接。或者如果宇宙是负弯曲的，它可以是小尺度上的马鞍形状，但即使是这样，也可以以一种复杂的方式闭合。

换句话说，不管宇宙的曲率如何，空间要么是有限的，要么是无限的。如果空间是有限的，你可能会问关于宇宙中心的问题。毕竟，如果你把时空想象成一个球体，你会说球体的中心就是宇宙的中心。如果时空是一个甜甜圈，你会说洞的中心就是中心。


但这里有个问题。

问题是，我们能想到空间的形状只是二位的表面，你试着像一下三维空间的形状？真的完全无法想象，因为我们缺失了一个维度，我们可以很好的描述二维平面，但我们说不出三维空间的形状，所有我们能想到的这些曲面，球面，甜甜圈的表面，马鞍的表面，都是二维的。


但是空间是三维的。宇宙并没有像橡胶板或气球的表面那样膨胀，而是像一块烤面包一样膨胀，在所有的三维空间中膨胀。当你想到一个球体，一个甜甜圈，或者一个马鞍，你想到的是二维的物体，拿走了一个维度的空间。要想看三维空间的形状，我们必须处在四维空间中，就像我们在三维空间中看二维空间一样。

如果宇宙是有限的，并且有一个中心，那么这个中心就会存在于高维空间中！

左边圆的表面是一维的线。这个一维的线组成的圆的中心在二维空间中，如果你只能感知一维的线存在，你的空间只是一维度的线，然后你问“它的中心在哪里?”这个问题就没有意义。

右边的球面是二维平面。它在三维空间中有一个中心，就是球的中心，但是如果你只能感知到球的表面，然后你问“它的中心在哪里?”这个问题也没有意义。

这就是我们所知道的空间，我们的三维空间。

宇宙没有中心？也可能是我们看不到

我们三位空间完全有可能是高维结构的表面，而且这个高维结构实际上有一个中心。但如果是这样的话，那就完全超出了我们的观察能力。此外，问宇宙的中心在哪里是没有意义的，就像问圆周的中心在哪里一样，是没有意义的。

这就是为什么宇宙没有中心！

原文地址：今日头条