我们宇宙的中心并不存在。一位物理学家解释了原因。

大约一个世纪前，科学家们正在努力调和这个领域看似矛盾的事实阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论.

1915 年出版，并且已经被物理学家和数学家在全球范围内广泛接受，该理论假设宇宙是静态的——不变、不动和不变。简而言之，爱因斯坦认为今天宇宙的大小和形状或多或少与以前一样。

但是，当天文学家用强大的望远镜观察遥远星系的夜空时，他们看到了宇宙并非如此的迹象。这些新的观察表明了相反的情况——事实是，相反，扩展.

科学家们很快意识到，爱因斯坦的理论实际上并没有说宇宙必须是静止的;该理论也可以支持一个膨胀的宇宙。事实上，通过使用爱因斯坦理论提供的相同数学工具，科学家们创建了新的模型，表明宇宙实际上是充满活力和不断发展.

我花了几十年时间试图理解广义相对论，包括我现在的工作作为物理学教授教学课程关于主题.我知道，围绕着一个不断膨胀的宇宙的想法可能会让人望而生畏——而挑战的一部分是压倒你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根本没有中心，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，“扩张”意味着某物越来越大。就宇宙而言，这在某种程度上是真的。膨胀也可能意味着“一切都离我们越来越远”，宇宙也是如此。将望远镜对准遥远的星系，它们都会出现远离我们.

更重要的是，它们离得越远，它们移动得就越快。这些星系似乎也在彼此远离。所以更准确地说，宇宙中的一切都在变得远离其他一切，一次全部完成。

这个想法很微妙，但很关键。很容易把宇宙的创造想象成爆炸的烟花：从大爆炸，然后宇宙中的所有星系都从某个中心点向各个方向飞出。

但这个类比是不正确的。它不仅错误地暗示宇宙的膨胀始于一个点，但事实并非如此，而且还暗示星系是正在移动的物体，这并不完全准确。

与其说是星系彼此远离，不如说是星系之间的空间，宇宙本身的结构随着时间的推移不断扩大.换句话说，在宇宙中移动的并不是星系本身;它不仅如此宇宙本身随着它的扩张，它们会带得更远。

一个常见的类比是想象在气球表面贴一些点。当您将空气吹入气球时，气球会膨胀。因为这些点卡在气球的表面上，所以它们之间的距离会更远。

尽管它们看起来在移动，但这些点实际上正好停留在您放置它们的位置，并且它们之间的距离仅仅由于气球的膨胀而变得更大。

现在把这些点想象成星系，把气球想象成宇宙的结构，你就开始明白了。

不幸的是，虽然这个类比是一个好的开始，但它也没有完全正确地说明细节。

第四维度

对于任何类比来说，重要的是理解它的局限性。一些缺陷是显而易见的：气球小到可以放在你的手里——宇宙不是这样。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。

气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。如果你在上面走来走去，你可以向前、向后、向左或向右移动，但你不能在不离开表面的情况下向上或向下移动。

现在听起来我们在这里命名了四个方向 - 前进、向后、向左和向右 - 但这些只是沿着两条基本路径的运动：左右和前后。这就是使表面具有二维 - 长度和宽度的原因。

另一方面，气球的内部是三维的，因此您可以在任何方向上自由移动，包括向上或向下 - 长度、宽度和高度。

这就是混淆所在。我们认为气球的“中心”是气球内部某个地方的一个点，在表面下充满空气的空间中。

但在这个类比中，宇宙更像是气球的乳胶表面。气球充满空气的内部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”有点像问“气球表面的中心在哪里？根本就没有。你可以沿着气球表面向任何方向移动，只要你愿意，你永远不会到达一个你可以称之为它中心的地方，因为你永远不会真正离开表面。

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，就像气球的表面一样，它根本没有.

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，气球的内部有三个维度，但宇宙存在于四个维度中。因为这不仅仅是关于事物在空间中如何移动，还关于它们如何随时间移动。

我们的大脑天生就分开思考空间和时间。但在宇宙中，它们交织成一个称为 ”时空."这种统一改变了宇宙相对于我们的直觉期望的运作方式。

而这个解释甚至没有开始回答某物如何可以无限扩展– 科学家们仍在试图弄清楚是什么推动了这种扩张。

因此，在询问宇宙的中心时，我们正在面对我们直觉的局限性。我们找到的答案 – 万物，无处不在，同时膨胀 – 就是瞥见我们的宇宙是多么奇异和美丽。

罗伯·科恩， 物理学教学教授，罗德岛大学

本文转载自对话根据 Creative Commons 许可。阅读原创文章.

宝宝起名 起名