宇宙大爆炸中心在哪里?来解开你多年的疑惑

宇宙大爆炸中心在哪里?来解开你多年的疑惑

138亿年前,我们所知的宇宙从一个被称为大爆炸的高温高密度状态中诞生。

尽管几十年来有许多严肃的替代方案被考虑过,但在整个20世纪,随着宇宙微波背景的发现,科学界在50多年前最终达成了共识。尽管许多人试图重新提出各种各样的不可信的观点,并试图提出新的可能性,但所有这些都在一整套天文数据的重压下消失了。

大爆炸理论目前可以说是我们宇宙起源的唯一有效理论,大家还有什么疑问可以查看我的文章《 》和《 》,深入了解为什么大爆炸理论是无法替代的选择。

如果“大爆炸”理论真的反映了宇宙的真实情况,那么按照我们的经验,这个爆炸似乎应该有一个“爆点”也可以说爆炸中心,我们从普通的炸弹爆炸、原子弹爆炸直到宇宙尺度的超新星爆炸都是从某一个点向周围空间的各个方向辐射出去的。

如果这个爆炸中心存在,那么就不难推论出现在的宇宙也应该存在这样一个宇宙的中心。

但是,大爆炸理论却明确告诉我们,宇宙没有中心!大爆炸不是普通的爆炸,宇宙的膨胀在各处都是一样的,宇宙不是从一个中心膨胀到现在的宇宙,而是同时在各个方向同时发生的。

这似乎有点反直觉,但确实是观测事实,今天小编就和大家聊一聊原因。

宇宙大尺度结构

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美国2微米全天巡天项目绘制的宇宙大尺度结构

当科学家通过巡天和各种不同电磁波辐射波长(特别星21公分辐射,即星际空间的冷中性氢原子发射的射电波长辐射)对可观测宇宙中大范围内(尺度大概为十亿光年)的质量和光的分布特征进行调查和描绘时,发现整个宇宙似乎显示出一种“泡沫网状”结构,几乎所有的星系都分布在狭窄的“纤维带”上,而在它们的中间则是巨大的空洞。

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宇宙的“泡沫网状”结构模拟图

这种“泡沫网状”结构类似于海绵的结构,虽然存在丝状结构和空洞,但是这些都是局部的景象,从总体来看却是均匀的,没有差别的,也就是科学家说的各向同性和对称的

也许有人会说,这是我们在地球上观测的情况,也许宇宙其他地方观测的情况就不一样,所以这里还要提一个名词——宇宙学原理,这是一个假设,意思是说在宇宙学尺度上,任何时刻,三维空间是均匀的和各向同性的,也就是说宇宙中各处的观测者,观察到的物理量和物理规律是完全相同的,没有任何一个观测者是特殊的。

如果你非要说,我就认为其他地方观测的不一样,那我也没办法了,你也没法证明,我也没法证伪,这就尴尬了,毕竟我们还没有发现外星人,而且即使发现了,通讯也是个麻烦问题。

但是,我们还是更有理由根据可观测宇宙的均匀状况推测到可观测宇宙外面也是均匀的。

所以,我只能说,按照我们掌握的宇宙大尺度结构的观测数据,再假设宇宙学原理是正确的,那么可以推断出这个宇宙是个均匀的、各向同性的、对称的宇宙,没有中心可言

宇宙微波背景

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宇宙微波背景辐射(CMB)

除了大尺度结构,还有一个观测数据也很有说服力,那就是宇宙微波背景(CMB)。

记得小时候看老式的电视,没有信号的时候满屏幕都是雪花,号称“雪花台”,还有就是听收音机没有台的时候也有一个均匀的噪音,但很少有人问为什么会有这些背景噪波呢?

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宇宙膨胀将宇宙背景光波长拉伸到微波区

美国贝尔实验室的两位工程师罗伯特·威尔逊和阿诺·彭齐亚斯研究这个东西就研究出来门道了,他们深入的观测发现,这原来是宇宙的背景光,因为宇宙膨胀的效应,其波长被拉伸到微波区。

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微波背景辐射的最重要特征是具有黑体辐射谱,在0.3-75厘米波段,可以在地面上直接观测,在大于100厘米的射电波段,银河系本身的超高频辐射掩盖了来自河外空间的辐射,因而不能直接测量;在小于0.3厘米波段,由于地球大气辐射的干扰,要使用气球、火箭或卫星等空间探测手段才能测量。

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测量数据表明,宇宙微波背景是温度接近2.7K的黑体辐射,习惯称为3K背景辐射。由于黑体辐射需要通过辐射和物质的相互作用才能形成,现今宇宙空间物质密度极低,相互作用极小,这就表明3K微波背景辐射是极大时空范围的事件,也就是整个宇宙的背景辐射。

而微波背景辐射的一个重要特征就是极高的各向同性,沿天球各个不同方向观测,其辐射强度涨落小于0.3%。

这也可以说明,这个宇宙是个均匀的、各向同性的、对称的宇宙,没有中心可言。

理论的破裂

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《星际穿越》中展示的黑洞效果图

另外,我们现有的经验、理论、模型都限定于现有的低速宇宙条件下,一旦出现特殊情况,现有理论就会出现裂缝,最显著的例子就是黑洞,现有理论预言了黑洞的存在,并以事件视界为分割线,描述事件视界外面的理论非常多,但描述事件视界里面情况的理论很少而且显得极其苍白无力。

大爆炸理论也是如此,虽然大爆炸理论是基于相对论的且有很多观测数据支撑的比较完善的理论,但是该理论模型为了拟合观测数据也包含着很多假设,随着我们越来越回退到大爆炸的时刻,这些假设就变得越来越不确定。

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在奇点处,现有理论将失效

所以说,一旦往前回退到爆炸时那个各种数值(例如温度、质量和时空曲率)趋近无限的奇点,现有理论就会出现破裂,所有在爆炸时和爆炸前的空间和时间如何根本无法推测,例如,有可能在非常高的密度和温度条件下,物质具有异常行为,导致引力变成斥力,如果发生这种情况,那么大爆炸就可能不是简单的爆炸而是一个反弹,再回退时间宇宙就会翻转到爆炸前的过去。

所以,既然现存的所有经验、理论、模型都无法描述大爆炸时的情况,那么我们也完全有理由得出这样一个结论:根据现有生活经验推断出的爆炸必然存在爆炸中心的想法根本不适用于宇宙大爆炸。

气球类比

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膨胀的“气球宇宙”

经过上面的论述,我们基本可以得出一个结论,那就是现今的宇宙学模型不支持大爆炸存在中心的说法,宇宙各处几乎完全同质,这意味着空间中的任何点都没有与其他点相差很大的属性,大爆炸似乎是同时发生在宇宙的每个地方

如果你非要把这个事搞清楚的话,我们可以用气球宇宙来类比一下。

假设整个宇宙是一个巨大的气球的表面(我们的宇宙当然是三维的,这里把三维宇宙降低为二维宇宙是为了方便类比),这个气球宇宙从很小的未充气状态充气后膨胀到很饱满的状态,类似于宇宙大爆炸并膨胀的过程,这个过程中气球表面的每个点都相互远离,和我们的宇宙一样表现为同时且均匀的膨胀,很显然,这个气球表面的宇宙中就不存在一个膨胀中心。

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当然,如果你非要选一个气球宇宙膨胀的中心点,这个中心就肯定不在气球表面的宇宙中而是在气球内部,所以,你应该可以猜到小编想说的结论,那就是根据观测事实,我们的宇宙是均匀膨胀的,没有膨胀中心,即使存在中心,那也肯定超出了这个三维宇宙的范围

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