如果宇宙在膨胀，那么它围绕的“中心”在哪里？答案的真相出乎意料！

如果宇宙在膨胀，那么它围绕的“中心”在哪里？答案的真相出乎意料！

当我们仰望星空，不禁会思考：如果宇宙在膨胀，那么它围绕的“中心”在哪里？这个问题看似简单，却蕴含着深刻的宇宙学原理。本文将带你探索宇宙膨胀的奥秘，揭示这个令人惊讶的答案。

封面 ｜ 红移和蓝移概念图

当我们观察宇宙时，无论朝哪个方向看，都会发现一个惊人的事实：宇宙在大尺度上呈现出高度的一致性。从星系的数量、类型到恒星的数量，从正常物质和暗物质的密度到宇宙微波背景辐射的温度，这些特征在不同方向上的差异不超过0.003%，即三万分之一。

然而，真正的差异并非来自于观察方向，而是观察距离。距离越远，我们看到的是宇宙更早时期的景象。由于宇宙膨胀的作用，远处天体发出的光波会被拉伸，波长变长，向红色移动，这种现象被称为红移。同时，物体远离我们的速度也会随着距离的增加而加快。

这很容易让人联想到宇宙有一个"中心"，从各个方向观察似乎都在围绕这个中心膨胀。但深入思考后会发现，宇宙的"中心"并不意味着物理上的中心。根据广义相对论，宇宙的膨胀不是从某个具体的"爆炸点"向外扩展，而是空间本身在扩张。无论朝哪个方向看，宇宙的膨胀都是一致的，没有特定的观察点可以标示为"宇宙的中心"。

每当一个星系发出光，接收它的观察者最终看到的光将会有一系列不同的性质和波长。距离星系越远，观测到的红移就越大，观测到的时间膨胀也就越多，因为观测者接收到的信号也会随着时间"拉长"。(图片来源: Larry McNish/RASC Calgary Centre)

当物体接近光速时，发出的光会受到观察者位置的影响，出现偏移。我们通常可以直观地理解，当物体向我们移动时，波长会缩短（蓝移），而当物体远离我们时，波长会拉长（红移）。这种波动被称为"多普勒效应"，其表现不仅仅局限于声音，光波也会受到相似的影响。波长变长意味着光的能量降低，波长变短则表示光的能量增高。

对于宇宙中的任何物体而言，由于物质的特性——原子和离子会吸收和发射特定波长的光——我们能够通过测量光谱的偏移来确定这些物体的运动情况。例如，通过红移或蓝移的观测，科学家们第一次发现了宇宙膨胀的迹象。韦斯托·斯利弗（Vesto Slipher）在1910年代的研究表明，星系的光谱特征显示出系统性的红移或蓝移，暗示着这些星系正在远离或向我们靠近。这一发现为宇宙膨胀的理论奠定了基础。

当光从一个源发出时，它有一个特定的波长。在被观察者吸收之前，它必须在不断膨胀的宇宙中穿行的时间越长，与发射时的波长相比，这种光的红移量或者拉伸到更长的值的波长就越大。(图片来源: Ben Gibson/Big Think)

随着我们进一步观测更远的天体，我们发现它们的红移越来越显著。星系越远，它们发出的光越"红"，而且红移的程度与它们的距离成正比。这个现象到底是由于物体在空间中的实际运动，还是宇宙本身的膨胀导致的光的波长变化呢？

这是一个复杂的问题。在爱因斯坦的广义相对论中，空间并非是一个静态的背景，而是随着时间和其中的物质能量不断演化的动态结构。这种结构的变化对光波的传播产生深远的影响。光波的拉伸不仅仅是因为物体之间的相对运动，更是由于宇宙空间本身的膨胀。

根据广义相对论，宇宙中的每个点都不是静止的。任何均匀分布的物质和能量都会导致宇宙膨胀或收缩。当空间膨胀时，光波的波长会随之拉长。这意味着，当我们从一个遥远星系接收到光时，这光已经在膨胀的宇宙中旅行了很长时间，波长因此被拉伸，表现为红移。

然而，光的波长变化不仅仅是由物体相对运动造成的。宇宙的膨胀本身也在影响光波的性质。当光从一个星系发出时，它的波长会随宇宙膨胀而不断延伸，直到它到达我们的眼睛。通过观察这些红移，我们可以了解宇宙的膨胀历史及其现状。

尽管宇宙微波背景辐射在各个方向上都是相同的粗略温度(2.7255 k) ，但在特定的方向却存在着800分之一的偏差(3.36毫克/升温或降温) ，这与我们在宇宙中的运动是一致的。

随着我们进一步的观测，我们发现宇宙的膨胀不仅仅是物体的运动，而是空间本身的变化。虽然宇宙膨胀的原因仍然是一个复杂的问题，但我们可以确定，宇宙确实在膨胀，且这种膨胀影响了所有物体的运动。通过对许多远处天体的观测，科学家们总结出宇宙膨胀的普遍规律，并建立了一个基于广义相对论的膨胀模型。

然而，虽然我们可以观测到宇宙的膨胀，但问题依然存在：宇宙的"中心"在哪里？这个问题实际上并没有明确的答案。在宇宙的最大尺度上，宇宙似乎是均匀的，我们无法从中区分出某个特殊的中心。就像面包发酵时，葡萄干之间的距离逐渐变远一样，宇宙中的星系也随着空间的膨胀而相互远离。每个观察者都认为自己处在宇宙的中心，但实际上，无论你身处宇宙的哪个地方，都能得出相同的结论：你看到了一个膨胀中的宇宙。

附近星系和星系团的运动(如其速度流动的"线条"所示)与附近的质量场

总的来说，宇宙的膨胀没有固定的中心，每个观察者的视角都与他们所在的地方紧密相关。我们所能观测到的宇宙只是整个宇宙的一部分，而关于宇宙的形状、大小和结构，我们仍然没有明确的答案。无论如何，我们可以确定的是，宇宙在不断膨胀，光的波长随着膨胀被拉长，远处的物体看起来像是在远离我们。这个发现不仅改变了我们对宇宙的理解，也为我们探索宇宙的未来提供了无限的可能性。

参考资料：
[1]. Based on the book written by Ethan Siegel