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宇宙存在一個中心嗎?

2024-10-12科學

無論我們朝哪個方向看,也無論我們的望遠鏡和儀器能夠觀測到多遠,宇宙在宏觀尺度上看起來都差不多。星系的數量、星系的型別、星系中恒星的數量、正常物質和暗物質的密度,甚至我們所看到的放射線的溫度都是均勻的,這與我們朝哪個方向看無關。在最宏大的宇宙尺度上,在數十億立方光年的尺度上,任何兩個區域之間的平均差異僅為 0.003%,約為三萬分之一。

事實上,我們看到的最大差異並不取決於我們朝哪個方向看,而是取決於我們看得有多遠。我們看得越遠,我們觀察到的宇宙就越久遠,來自這些遙遠物體的光向波長較長的方向偏移的程度就越大。很多人聽到這個訊息後,腦海中就會浮現出一個特定的畫面:光偏移的程度越大,這些物體遠離我們的速度就越快。因此,如果你朝所有方向看,然後重新構建「在太空的哪個點,我們會看到所有方向都均勻地後退?」,你就可以找到宇宙的中心。

如果我們願意,我們可以進行這種嘗試,但我們最終得到的並不是「宇宙的中心」。以下是我們關於宇宙中心的最佳科學知識的真實情況。

以接近光速移動的物體會發出光線,根據觀察者的位置,其發出的光線會出現偏移。左側的人會看到光源遠離它,因此光線會發生紅移;而右側的人會看到光源發生藍移,即隨著光源向其靠近,光線會移向更高頻率。

我們大多數人憑直覺就能理解,當物體朝你移動時,它們發出的波會呈現出壓縮狀態,波峰和波谷會更接近。同樣,當它們遠離你時,波看起來與壓縮相反,即變得稀疏,波峰和波谷比靜止時更遠。雖然我們通常在聲音中體驗到這種現象,因為你可以根據聲音的音調判斷消防車、警車或冰淇淋車是朝你移動還是遠離你,但對於任何波,包括光,都是如此。我們將這種基於運動的波移位稱為 都卜勒效應, 以其發現者命名。

只是,對於光來說,波長的變化並不對應音調的升高或降低,而是能量的升高或降低。對於光來說:

· 波長越長,頻率越低,能量越低,顏色越紅,

· 而波長較短則意味著頻率較高、能量較高、顏色較藍。

對於我們測量的任何單個物體,由於宇宙中物質的性質,其中都會存在我們可辨識的原子和離子。所有原子和離子都只發射或吸收特定波長的光;如果我們能辨識出存在哪些原子,並能測量這些光譜線的系統性偏移,我們就能計算出光實際上的紅移或藍移程度。

正如維斯托·斯利弗 (Vesto Slipher) 在 20 世紀 10 年代首次指出的那樣,我們觀察到的一些物體顯示出特定原子、離子或分子的吸收或發射光譜特征,但會系統性地向光譜的紅端或藍端偏移。當結合這些物體的距離測量時,這些數據產生了宇宙膨脹的初步想法:星系距離我們越遠,其光線在我們眼睛和儀器中出現的紅移就越大。

當我們這樣做時,我們發現了一些非常了不起的東西。對於最近的物體,我們看到紅移和藍移,對應的速度範圍從幾百到幾千公裏每秒。像銀河系這樣的星系,沒有緊密地與大型、品質大的星系群或星系團聯系在一起,通常速度較低,而靠近大型、品質大的星系團中心的星系可以達到光速的約 1-2%。

當我們看得更遠,看更遠距離的物體時,我們仍然看到相同的範圍——我們所看到的星系之間的推斷速度從數百到數千公裏/秒不等——但一切都只是根據它們發出的光轉變為更紅的顏色而已。

觀測結果非常清楚:物體距離我們越遠,平均而言,觀測到的紅移越大。但這是因為當物體發出光時,相對於我們吸收和測量光時,物體實際上在空間中移動嗎?還是因為宇宙尺度上正在發生整體膨脹,導致光在穿越我們與試圖觀察的物體之間的空間的漫長旅程中繼續移動?

每當星系發光時,接收它的觀察者最終看到的光將具有與光首次發射時不同的內容和波長,這歸因於兩個內容:光源相對於觀察者的相對運動,以及光源和觀察者之間發生的宇宙膨脹。距離星系越遠,觀察到的紅移越大,觀察到的時間膨脹量也越大,因為觀察者接收到的訊號也會隨著時間的推移而「延長」。

第一種情況很容易理解——物體存在於空間中並在其中移動——但第二種情況需要一點解釋。在愛因史坦的廣義相對論中,空間不僅僅是粒子和其他物體在其中移動的靜態「背景」,而是一種結構的一部份,隨著時間的推移,它根據其中存在的物質和能量而演變。某一特定位置的大品質將導致該結構在該位置周圍彎曲,迫使該空間中的每個量子不沿直線運動,而是沿著由空間曲率決定的路徑運動。例如,在日全食期間,星光圍繞太陽的彎曲是第一個明確的測試,表明重力符合愛因史坦的預測,這與牛頓的舊萬有重力理論相矛盾。

廣義相對論的另一個結論是,如果你有一個均勻充滿物質或能量的宇宙,那麽這個宇宙就無法維持一個靜態不變的時空。所有這些解決方案都是不穩定的,你的宇宙必須膨脹或收縮。隨著這個時空的演變,其中的光也會演變:

· 隨著宇宙結構收縮,其波長也隨之縮短,

· 或者說隨著空間結構的擴充套件,其波長也會變長。

當光穿越宇宙時,空間演化的影響會印刻在最終到達我們眼睛的光的內容上。

當光從光源發射時,它具有特定的波長。它在被觀察者吸收之前必須穿越膨脹的宇宙的時間越長,與發射時的波長相比,該光的波長紅移或拉伸的程度就越大。

原則上,這兩種效應都在發生。空間結構本身在演變,導致在其中傳播的光系統性地移動,而宇宙中的星系和其他發光物體也在演變的空間中移動,導致運動相關的移動。

從第一原理來看,我們無法知道哪一個會導致我們的宇宙經歷的主要影響。從數學上講,同一個方程式可以有多個解,廣義相對論方程式也不例外。宇宙——被觀察為充滿「物質」——可能正在膨脹或收縮。疊加在這種宇宙學轉變之上,我們有望發現所謂的 特殊速度,或者宇宙中的物質如何由於宇宙中所有其他物質和能量源的重力等影響而移動。

無論我們觀察到某個特定物體發生了怎樣的變化,都是所有這些影響的綜合作用。當我們僅僅測量一個物體發出的光是如何變化的時候,我們無法知道哪個部份是宇宙學的,哪個部份是非宇宙學的。但是,透過觀察許多物體在很遠的距離上的變化,我們可以從總體的平均趨勢中發現宇宙整體是如何演變的。

艾德溫·哈伯的原始星系距離與紅移關系圖(左),確立了宇宙的膨脹,而右則是大約 70 年後更現代的對應圖。許多不同型別的物體和測量方法都用於確定物體的距離與其視在退行速度之間的關系,後者是我們根據物體相對於我們的光的相對紅移推斷出來的。如您所見,從非常近的宇宙(左下)到十億光年以外的遙遠地點(右上),這種非常一致的紅移-距離關系仍然成立。

正如 20 世紀 20 年代末首次指出的那樣,證據不僅壓倒性地指向宇宙正在膨脹,而且宇宙膨脹的預測方式與廣義相對論對宇宙均勻填充各種物質和能量的預測驚人地一致。一旦你知道你的宇宙是由什麽組成的,以及它現在是如何膨脹的, 廣義相對論的方程式式就是完全可以預測的:我們可以計算出宇宙在過去每個時刻的大小、分離距離和瞬時膨脹率,以及它在未來每個時刻會是什麽樣子。

然而,如果情況確實如此,那麽膨脹的宇宙就根本不像一場爆炸,爆炸有一個起點,所有東西——就像彈片一樣——以不同的速度向外飛去。相反,膨脹的宇宙更像是一塊正在發酵的面團,裏面充滿了葡萄乾。如果你是一個受重力束縛的物體,比如一個星系,你就是其中一顆葡萄乾,而空間本身就是面團。隨著面團發酵,單個葡萄乾似乎相對於彼此分離,但葡萄乾本身並沒有「穿過」面團。每顆葡萄乾都認為自己相對靜止,但它看到的每一顆其他葡萄乾似乎都在遠離它,距離越遠的葡萄乾似乎離得越快。

正如面團膨脹時,發酵面團中的葡萄乾會彼此遠離,宇宙中的星系也會隨著空間結構本身的膨脹而彼此遠離。所有測量宇宙膨脹的方法都無法得出相同的膨脹率,這一事實令人不安,這可能表明我們目前對宇宙膨脹的建模存在問題。

那麽我們如何知道這個「面團」有多大,我們在裏面的位置以及它的中心在哪裏?

只有當我們能看到「面團」邊緣以外的地方時,這個問題才有答案,而我們無法做到這一點。事實上,在我們可以觀察到的宇宙部份的極限範圍內,宇宙仍然是完全均勻的,在任何地方都處於相同的 1/30,000 誤差之內。我們的大霹靂發生在 138 億年前,這意味著我們最多可以看到所有方向約 460 億光年的範圍,即使在那個遙遠的極限,它仍然非常均勻。這不會對以下方面造成任何限制:

· 代表我們宇宙的「面團」有多大,

· 超出我們可見範圍的不可觀測宇宙有多大,

· 不可觀測宇宙的拓撲結構和環通度是什麽,

· 我們的宇宙極限允許的「形狀」是什麽,

最後一個問題包括我們的宇宙是否有中心、中心是否有限以及我們相對於宇宙可能具有的任何更大結構的位置。我們可以得出的結論是,宇宙似乎與廣義相對論完全一致,就像面團中的任何單個葡萄乾都看不到面團邊緣之外的東西一樣,任何觀察者都可以得出顯而易見(但不正確的)的結論,如果你看到一切都遠離你,你會得出這樣的結論:「我在或非常接近實際的精確中心。」

從我們的角度來看,可觀測宇宙可能在各個方向都有 460 億光年,但肯定還有更多,就像我們這個宇宙一樣,無法觀測的宇宙。將任何特定點與中心聯系起來是不公平的,因為我們所感知到的是由今天觀察到的光發射以來經過的時間決定的,而不是宇宙的幾何形狀。

只是,「我們處在中心」的說法根本不正確。我們在太空中的位置唯一的優勢是,我們看到的近處的物體是我們今天能看到的最古老、前進演化程度最高的物體,而距離較遠的物體則更年輕。目前,附近的膨脹率低於我們在更遠的地方看到的膨脹率。而且,與較遠的物體相比,來自最近物體的光的紅移較少,它們的位移受紅移的宇宙學成分的影響較小。

這是因為整個宇宙中存在的物體都無法發送比光傳播速度更快的訊號,而我們今天觀察到的來自它們的光對應於現在到達的光,但一定是在一段時間前發射的。當我們回顧太空時,我們也回顧了時間,看到了物體:

· 就像過去一樣,

· 當它們更年輕,時間上更接近大霹靂時,

· 當宇宙變得更熱、更致密、膨脹得更快時,

· 並且,為了讓光到達我們的眼睛,它必須在整個旅程中被拉伸到更長的波長。

然而,如果我們想知道從我們的角度來看,所有方向在哪裏真正顯得盡可能完美統一,我們可以看看一件事:宇宙微波背景,它本身就是大霹靂留下的放射線。

盡管宇宙微波背景在所有方向上的溫度大致相同(2.7255 K),但在一個特定方向上存在 1/800 的偏差(3.36 毫克耳文更熱或更冷):這與我們在宇宙中的運動一致。在 CMB 振幅本身的整體振幅為 1/800 時,這相當於光速的 1/800 的運動,從太陽的角度來看約為 368 公裏/秒。

在太空的所有位置,我們都能看到均勻的放射線,溫度精確為 2.7255 K。根據我們觀察的方向,溫度會有所變化,變化量在幾十到幾百微克耳文之間:對應於 1/30,000 的誤差。但我們也看到,一個方向看起來比相反方向稍微熱一點:我們 在宇宙微波背景放射線中觀察到的偶極子。

最簡單的解釋是,回到我們討論的開始,我們在宇宙中的實際運動。如果你願意考慮,「在這個位置,我必須以這個特定的速度移動,這樣我看到的放射線背景實際上是均勻的」,宇宙實際上有一個靜止框架。我們的速度接近我們所在位置的正確速度,但有點偏差:這種偶極各向異性對應於大約 368 ± 2 公裏/秒的速度或特殊速度。如果我們以這個精確的速度「加速」自己,或者保持我們目前的運動,但將我們的位置移動到大約 1700 萬光年遠的地方,我們實際上似乎處於一個與宇宙中心的簡單定義難以區分的點:相對於整體觀測到的宇宙膨脹處於靜止狀態。

附近星系和星系團的運動(如其速度流動的「線」所示)與附近的品質場一起繪制出來。最大的過密度(紅色/黃色)和密度不足(黑色/藍色)來自早期宇宙中非常小的重力差異。在最密集區域附近,單個星系可以以每秒數千公裏的特殊速度移動,這種特殊速度在觀察者的微波天空中產生明顯的偶極子。對於以我們的位置為中心的 CMB 和宇宙膨脹的近靜止框架的觀測,最好的解釋是將這種現象歸因於我們在宇宙中觀察到的局部(特殊)運動。

這真是太近了!畢竟,我們可以看見四面八方約 461 億光年的範圍,而 1700 萬光年距離我們只有宇宙半徑的 0.037%。但更清醒的事實不是我們靠近中心,而是任何星系中的任何觀察者都會得出結論,他們也位於(或非常接近)中心。無論你位於宇宙的哪個位置,你都會發現自己存在於這個特定的時刻:大霹靂後的一段有限的時間。你所看到的一切都和它發出光時的樣子一樣,到達的光會因你觀察到的物體相對於你的相對運動以及宇宙的膨脹而發生移動。

根據您居住的地方,您可能會看到宇宙微波背景中的偶極子對應於特定方向上數百甚至數千公裏/秒的運動,但是一旦您解決了這個難題,您就會得到一個與我們的觀點一樣的宇宙:在最大尺度上,在所有方向上都是均勻的。因此,宇宙的中心在哪裏是一個深刻的問題,但真正的答案是—— 沒有中心——或許是最深刻的結論。