在日常生活中,所有的事物都有个界限,都有个中心,那宇宙的中心在哪里?从我们地球看所有的星系都在远离我们,那地球是宇宙的中心吗?关于宇宙的膨胀、大爆炸、暗能量以及“中心”的概念,我们有很多误解。下面我们就看下,宇宙的局部和整体运动是怎样的?
宇宙局部区域的运动方式
我们先从地球在宇宙中的旅程开始。上图是信使号宇宙飞船在飞往水星的途中顺带拍摄的地球照片。为什么要在这里提地球呢?因为就在几个世纪以前,人们还认为地球是太阳系的中心,并且是静止的,不自转,也不绕太阳公转。从地心说到日心说,我们人类对宇宙的认知走过了漫长的道路。
现在我们知道地球不仅不是太阳系的中心,而且也不是静止的,太阳系里的任何天体都不是。地球和其他行星围绕着共同的质心公转。然而这个共同的质心也在太空中运动,沿着稳定的轨道穿越银河系。其实我们看过很多太阳系在银河系运动的照片,但是有些照片略带些偏差。
其实我们的整个太阳系几乎保持在一个恒定的平面上,行星在运动中并没有滞后,就像下图那样!奥尔特云则是一个稀疏的椭球体围绕着太阳系,一起在银河系中运动。
整个宇宙的运动运动方式
但是在宇宙中更重要的不是这些星系的局部运动,而是整个宇宙的运动。在最大的尺度上,星系并不是简单地由于引力的影响而移动,而是宇宙整体的膨胀影响着宇宙中的一切。但宇宙的膨胀方式通常想起来并不直观。
当我们想到某种东西在膨胀时,我们通常会和生活中的爆炸联系在一起,就像过年放的炮竹,所有的碎片都离彼此越来越远。我们在太空中也有很多这样的爆炸事件,比如一次II型超新星爆发,它将恒星燃烧后的核燃料抛洒到星际介质中。
在一场典型的爆炸中所有不同的部分都在相互膨胀,但这是因为爆炸的推力,而不是因为空间本身在膨胀。但这种形式和“宇宙大爆炸”或“正在膨胀的宇宙”没有关系。
相反,我们需要把空间想象成一个膨胀的气球。在气球的二维表面上粘着硬币。如果我们往气球里吹气,气球就会膨胀,我们把每一枚硬币看作一个星系,或者是一个观察者。这才是宇宙的膨胀方式,当然这是二维表面对三维空间的描述。
从任何星系的角度看,所有其他星系都在远离彼此。那些离你较远的星系似乎退行得更快,而那些离你较近的星系退行速度就没有那么快。
但是从任何星系的角度来看,我们会发现完全一样的规律。如果以远离自己的方式判断自己是宇宙的中心,那另外一个星系又会觉得自己才是宇宙的中心。
在广义相对论的背景下,在一个不断膨胀的宇宙中,不仅没有中心,而且没有首选的观察者,也就是说没有任何“特权”星系。因此不会有任何的观察者会认为自己才是宇宙的中心。
然而,总的来说,宇宙正在发生一场控制膨胀的竞赛。
这是一场引力和膨胀之间的竞赛,一场从大爆炸就已经开始的竞赛,或者说从宇宙第一次被描述为热的、稠密的膨胀状态的那一刻开始,引力就和膨胀率发生着竞争。随着时间的推移,膨胀率下降,宇宙冷却了下来。
大爆炸并不是一个有中心的爆炸,也不是一个可以被描述为我们可观测宇宙起源的单一位置。更确切地说,据我们所知,宇宙中充满了物质和辐射,它们在所有地方同时处于高温状态,这就是我们所说的大爆炸。
至于宇宙是如何膨胀的,那是由它里面的物质决定的,不同的区域有不同数量的物质。这就是为什么在早期宇宙中,我们会看到宇宙微波背景的波动。
这些“热点”(红色)和“冷点”(蓝色)对应的是物质略多于或略少于平均值的地方。拥有更多物质的区域将成长为星系、星系群甚至星系团,而拥有较少物质的区域则不会,因为最大的低密度区域会放弃所有物质,变成巨大的空无一物的宇宙空洞。
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