【物理常见问题】-[版权所有]

原版菲利普·吉布斯,1997年。


宇宙的中心在哪里?

宇宙没有中心!根据标准理论宇宙学,宇宙起源于大约1400亿次的“大爆炸”多年前,一直在扩张。然而,没有一个中心膨胀;到处都是一样的。大爆炸不应被视为普通爆炸。宇宙并没有从中心向外扩展到空间;相反,整个宇宙都在膨胀,到目前为止,它在所有地方都在膨胀正如我们所知。

1929年,埃德温·哈勃宣布他测量了不同星系的速度距离我们越来越远,并且发现距离越远,速度越快正在后退。这可能表明我们处于膨胀的宇宙的中心,但事实上,如果宇宙按照哈勃定律均匀膨胀,那么它就会从任何有利的角度来看都是如此。

如果我们看到一个星系B类以10000公里/秒的速度远离我们,银河系中的外星人B类将看到我们的星系A类以10000 km/s的速度从对面后退方向。另一个星系C类同一方向距离的两倍B类将被我们视为以20000公里/秒的速度后退。外星人将看到它以10000 km/s的速度后退:

A、B、C从A 0 km/s 10000 km/s 20000 km/s从B-10000 km/s 0 km/s 10000 km/s

所以从外星人的角度来看B类,一切都在扩大无论它朝哪个方向看,它都和我们一样。

著名的气球类比

将空间与膨胀气球的表面。阿瑟·爱丁顿(Arthur Eddington)早就使用了这个类比1933年在他的书中不断膨胀的宇宙弗雷德·霍伊尔也曾使用过在他1960年出版的畅销书中宇宙的本质.霍伊尔写的“我的非数学朋友经常告诉我,他们发现很难想象一下这个扩展。如果不使用大量数学,我做得再好不过了使用气球的类比,气球表面有大量的圆点。如果气球被吹起,点之间的距离与星系之间的距离。"

气球类比很好,但需要正确理解,否则可以造成更多混乱。正如霍伊尔所说,这绝对是误导。"重要的是要意识到将三维空间与气球。表面是均匀的,没有应作为中心。气球本身的中心不在表面上,也不应该被认为是宇宙的中心。如果有帮助,你可以考虑径向气球中的方向表示时间。这是霍伊尔的建议,但也可能是令人困惑。最好将表面上的点视为不属于整个宇宙。正如高斯在19世纪初发现的那样第个世纪,空间的特性,如曲率,可以用内在的无需考虑其弯曲程度即可测量的数量所以空间可以弯曲,而不存在任何其他“外部”维度。 高斯甚至试图通过测量大物体的角度来确定空间的曲率三个山顶之间的三角形。

当你想到气球的比喻时,你必须记住。

…但如果大爆炸是一次爆炸

在常规爆炸中,材料从中心点向外膨胀。A短裤爆炸开始后的那一刻,中心将是最热的地方。稍后在那里将是一个由材料组成的球壳,从中心向外膨胀,直到重力它回到了地球。据我们所知,大爆炸不是爆炸就这样。那是一次爆炸属于空间,而不是爆炸在里面空间。根据标准模型,没有空间和时间在大爆炸之前。甚至连“以前”都没有。所以,大爆炸与我们习惯的任何爆炸都大不相同需要有一个中心点。

如果大爆炸在已经存在的空间中发生普通爆炸,我们可以向外看,看到爆炸的扩展边缘超越。相反,我们回头看宇宙大爆炸本身并探测到昏迷早期宇宙炽热的原始气体发出的背景光。这个“宇宙微波背景辐射“在所有方向上都是均匀的。这告诉我们从一个点向外扩展并不是物质,而是空间均匀膨胀的自身。

重要的是要强调,其他观察结果支持以下观点:宇宙中心,至少在观测范围内是这样。事实上宇宙均匀膨胀并不排除存在某些密度更大、更热的地方,可能被称为中心,但对星系的分布和运动证实了它在最大尺度上是均匀的我们可以看到,没有任何迹象表明有什么特殊的地点可以呼叫中心。

宇宙学原理

宇宙应该是均匀的(均匀的和各向同性的)大尺度是亚瑟·米尔恩于年提出的“宇宙学原理”1933.不久前,一些天文学家认为宇宙由我们的星系组成,银河系的中心将是宇宙。1924年,哈勃展示了另一个星系存在于我们的星系之外。尽管发现了大量结构在星系的分布方面,大多数宇宙学家仍然坚持宇宙学原则,要么是出于哲学原因,要么是因为它是一个有用的工作假设目前还没有任何观察结果与之相矛盾。然而,我们对宇宙的看法是受到光速和大爆炸以来有限时间的限制。可观察到的部分非常大,但与整个宇宙相比可能非常小,这可能甚至是无限的。我们无法知道宇宙的形状可观察的视界,无法知道宇宙学原理是否有在可能的最大距离范围内有效。

1927年,Georges Lemaêtre发现了爱因斯坦广义相对论方程的解空间在其中膨胀。他接着提出了宇宙大爆炸理论作为膨胀宇宙模型的解决方案。最著名的解决方案类别Lemaêtre所研究的是现在被称为Friedman-Lemaitre-Robertson-Walker(FLRW)模型。(弗里德曼找到了解决方案首先,但并不认为它们是合理的物理模型)。它不太好我们知道,Lemaêtre发现了一类更一般的解对称膨胀的宇宙。这些解决方案,现在被称为Lemaître Tolman Bondi(LTB)模型描述了可能有中心的宇宙的可能形式。FLWR模型实际上是LTB模型的一个特殊限制情况,我们不确定了解LTB模型不正确的方法。FLWR车型可能不错在可观测宇宙范围内有效但不起作用的近似值超越。

当然,宇宙还有许多其他甚至不太统一的形状或者没有可识别的中心。如果它在某种程度上有一个中心在可观察的宇宙之外,这样一个中心可能只是众多中心之一“中心”在更大的尺度上,就像我们银河系的中心一样。

换句话说,尽管标准的大爆炸模型描述了一个膨胀的宇宙在没有中心的情况下,这与所有观察结果一致,仍然有可能这些模型在比我们观察到的更大的比例尺上并不准确。我们仍然对于“宇宙的中心在哪里?”这个问题没有真正的答案。