地球是宇宙的中心嗎？為甚麼我們總以自己為中心？

人類對宇宙的體解是一個不斷加深的過程。 從古人用肉眼觀星,到望遠鏡揭開更遠天地的面紗, 再到光譜紅移讓我們發現了宇宙正在膨脹。 我們逐漸意識到一個概念——可觀測宇宙。 所謂可觀測,是基於我們能夠接收到的信息的範圍, 超出光線無法抵達的區域,自然不在我們的視野之內。 而因爲一切觀測都發生在地球, 從這個角度看,地球就成了可觀測宇宙的中心。 那可觀測範圍是怎麼界定的呢? 關鍵在於光束與宇宙膨脹之間的較量。 早在1676年,丹麥天文學家羅素就通過木星-衛星石的延遲, 首次測出了光束,後來布納德雷利用恆星光形差加以驗證。 再到現在激光測距,最終在1983年, 國際單位把光束定義爲一個精確的常數,大約30萬公里每秒。 愛因斯坦在狹義相對論中確定了光束不變原體, 指出沒有任何物質能夠超越光束, 這成爲現代物體的基石。 在宇宙學方面,愛因斯坦最初認爲宇宙是靜態的, 並在引力方程中加入了宇宙常數。 但在1929年,哈勃發現遠方星系的光譜整理紅移, 證明了宇宙在膨脹。 再到1998年,天文學家通過超新星觀測發現膨脹速度竟然在加快, 這才引入暗能量的概念來解釋。 由此推算,宇宙的年庭大約是138億年, 這意味着我們能夠看到的範圍其實受制於光傳播速度和膨脹的速度。 科學家計算出,在以地球爲中心的球體中, 半徑大約465億光年光子才能穿越膨脹的宇宙抵達我們, 這就是可觀測宇宙的邊界。 至於在這之外,宇宙還有多大,沒有人能確定,或許無限大。 換句話說,地球是可觀測宇宙的中心, 並非宇宙真正以地球爲中心, 而是因爲我們只能從地球出發去觀測。 如果其他文明也存在, 它們看到的可觀測宇宙同樣會以它們的行星爲中心, 呈現出一個新的465億光年的半徑的球體。 剛纔上面我提到465億光年的時候, 很多人可能會覺得, 這是不是意味着宇宙的大小隻有這麼多? 其實並不是。 465億光年只是可觀測宇宙的半徑, 也就是說,從地球出發,我們能接收到最遠的光。 大約在這個範圍之內, 真正的宇宙很可能遠大於這個數值, 甚至可能是無限大的。 你可能會問,如果我們站在別的星球上, 那是不是也可以得到一個以那個星球爲中心的半徑465億光年? 沒錯,這正好揭示了一個關鍵的事實, 地球並不是一個特別的中心, 而是所有的觀測點之一。 在宏觀尺度上,宇宙展現出了三個非凡的特徵。 第一,各向同性, 無論朝哪個方向觀測, 宇宙在大尺度上看起來都是差不多的, 沒有哪個方向是特殊的。 第二,均勻性, 只要有足夠大的空間體積, 無論我們在哪裏觀測,這裏還是那裏, 星系的分佈,平均密度,背景溫度, 基本都是一致的。 第三,時間演化, 我們看得越遠, 其實看到的就是越遠的過去, 也就是宇宙更年輕,更炙熱,更稚密的模樣。 這三點合在一起,構成了現代宇宙學的核心, 宇宙學原體。 它告訴我們, 宇宙在大尺度上是均勻和各向同性的, 而不是以地球爲中心的。 那麼問題來了, 如果不是地球在宇宙的中心, 我們爲什麼能在各個方向看到更年輕, 更原始的宇宙呢? 這正是一個很容易掉進的思維陷阱。 但在愛因斯坦的廣義相對論框架下, 答案其實很清楚, 並不是我們在中心, 而是整個時空在膨脹, 每一個觀測者都把自己看到的宇宙當作中心。 如果我們回溯到1915年, 愛因斯坦首次提出廣義相對論的年代, 很難想象當時我們對宇宙的瞭解多麼匱乏。 我們能夠看到銀河系內數百甚至數千光年的恆星, 但卻不知道如何測量更遠的具體。 我們確實能看到星雲,包括螺旋星雲和橢圓星雲, 但當時的人們還沒有普遍接受它們是星系, 或者像當時所說的那樣,是銀河系外的導宇宙。 我們不知道宇宙正在膨脹,大爆炸理論也尚未形成。 然而隨着廣義相對論這一新的引力理論出現, 愛因斯坦發現了一個巨大的體論問題。 這個問題源於他將自己對宇宙的體解和體論預測進行了比較。 如果愛因斯坦所想宇宙是均勻的, 其所有的位置都是密度相同的,靜止的, 也不會隨時間地膨脹演化,並遵循廣義相對論, 那麼就會出現一個病態的問題,宇宙必然是不穩定的。 根據愛因斯坦的引力理論, 物質和能量的存在和分佈決定了時空的曲率。 如果在一個靜態宇宙中的物質均勻分佈, 就會發現宇宙根本不會保持靜止。 相反,由於所有這些物質的存在, 宇宙將不可避免地發生坍縮、收縮, 並最終導致奇點,也就是我們現在所知的黑洞。 顯然,這並沒有發生,而且從觀測來看,也未正在發生。 愛因斯坦本人知道一定有某種東西阻止了他。 因此,無論是出於天才之舉,還是爲了避免他的理論不足一致, 愛因斯坦在他的方程式中加入了一個新術語——宇宙常數。 這個宇宙常數並非物質和輻射那樣的標準能量形式, 它們由粒子組成,在粒的作用下擴散或變得更加密集, 而是一種存在於空間本身的能量形式, 並且始終向外推。 它充當靜推力,將空間中的物質彼此推開。 愛因斯坦推斷,只有用宇宙常數向外的推力, 抵消物質和輻射向內的引力,才能實現靜態宇宙。 因爲必須達到某種平衡狀態。 但在20世紀30年代, 理論和觀察都表明愛因斯坦的這種思路是不正確的。 事實上,許多人批評愛因斯坦引入宇宙常數原因很重要, 這是一個概念上的解決方案, 但在細節上,它是一個不穩定的解決方案。 如果你的宇宙有任何微小的缺陷或者不均勻性, 比如恆星、行星,它就無法保持平衡。 它的一部分註定會坍縮,而其他部分將被迫膨脹。 第一次革命是體論上的,始於1922年的亞歷山大弗裏德曼, 他利用愛因斯坦的方程, 首次揭示一個均勻充滿物質、輻射、宇宙常數 和任何其他能寫下來的能量形式的宇宙,將如何隨時間演化。 首先,值得注意的是,這樣的宇宙必須隨時間演化, 這顯然與我們的觀察現象不符。 儘管如此,弗裏德曼不僅堅持不懈, 甚至更進一步精確地揭示了這樣的宇宙如何演化, 以及哪些因素將決定它們未來的演化。 他的這一發現意義非凡,一組方程, 它的一方面將物質和能量的總量與空間中的任意兩點之間的距離, 將它們的變化串聯起來。 或者我可以翻譯做說法, 如果宇宙中存在物質或者能量,它們均勻分佈, 那麼空間中任意兩點之間的距離就會隨着時間的變化, 而該距離的變化速率直接由物質和能量的總密度決定。 換句話說,空間不可能像愛因斯坦最初的設想那樣, 在一個均勻填充的宇宙中保持靜止。 然而,弗裏德曼方程並沒有告訴你具體變化方向, 正向還是負向。 換句話說,宇宙不可能保持靜止, 但它有兩種演化方式。 第一,膨脹,任意兩點之間的距離隨時間的延長。 第二,收縮,任意兩點之間的距離隨時間的縮短。 這在物理學中屢見不鮮。 我們有一些控制宇宙運行的方程, 但它們並非給出唯一的解答方式,而是給出多個。 從數學上講,答案是多種多樣的, 但在我們的物理宇宙中,實際結果只有一個。 我們應該如何判斷哪一種結果適合我們的宇宙呢? 你必須觀察宇宙本身, 並確定哪些可能解答的方式與物理相關。 答案將來自三個不同的觀測結果。 亨利·愛塔·勒韋特對照復變形週期光度關係的觀測告訴我們, 如果測量照復變形的週期性增量或者減暗的速度, 就能從本質上解決掉它的亮度。 維斯托爾·施利弗對天空中螺旋星雲和橢圓星雲的觀測表明, 根據它們光的波長變化,它們以驚人的速度移動, 而且這些速度表明它們正在遠離我們,而不是靠近我們。 哈伯對勒韋特的研究記錄着同一種類型的恆星,照復變形, 在其他星系中觀測表明與銀河系和脈轉能星雲中的照復變形相比, 這些照復變形顯得更加暗淡,人們很快將這些碎片拼湊到一起。 雖然哈伯本人傳統上被認爲宇宙膨脹的發現者, 但事實上他的觀測對這一結論至關重要。 但他並非第一個發現宇宙膨脹的人, 早在1927年,科學家們就得出了同樣的結論,宇宙正在膨脹。 哈伯的第一篇將這些想法填寫在一起的論文,直到1929年才發表。 直到20世紀30年代,他與愛因斯坦以及天理物理學界的大多數人 才得出一個不可避免的結論,宇宙正在膨脹。 當然,從那個時候開始,我們對不斷膨脹的宇宙有了更深的瞭解。 宇宙膨脹是自20世紀60年代以來現代宇宙學的四大基石之一。 另外的三塊基石分別是宇宙微波背景輻射的發現, 它表明在宇宙歷史的早期,宇宙中的溫度極高,中性原子無法穩定形成, 表明在更早更熱的時期,質子和中子在覈反應中融合在一起, 以及宇宙結構的演變,它使我們從早期的均勻狀態 發展到晚期的恆星、錦星、星系團的狀態, 並最終形成一個完整的宇宙結構網絡。 當你把這四塊基石放在一起的時候,一幅清晰的畫面浮現出來, 熱大爆炸在過去有很多名稱, 喬治·諾梅特首次討論宇宙膨脹的早期狀態時稱之爲宇宙彈, 在20世紀40年代稱爲原始原子, 因此宇宙微波背景輻射最初的名字是原始火球。 因此人們認識到,在早期宇宙中殘留的熱輻射非常熱, 但實際上,大爆炸理論最初的批評者之一弗雷德·霍伊爾早在1949年創造了大爆炸一詞, 並帶有貶義色彩。 大約在15年之後,宇宙微波背景輻射被發現, 事實的真相就無法被忽視了。 大爆炸理論講述了我們宇宙的起源,並且符合全部數據, 而當時其他理論也都無法和它相比並論, 即使在宇宙微波背景輻射發現大約60年後的今天, 熱大爆炸理論仍然是我們關於宇宙起源的最佳理論, 這一點毋庸置疑。 儘管它包含着當時宇宙學家和天文學家所未知的元素, 暗物質,暗能量,以及在熱大爆炸之前奠定其基礎的時期,宇宙膨脹。 這幅圖景被稱爲宇宙學一致性模型,它極其強大且穩健。 那麼,爲什麼當我們回顧過去的時候, 無論我們看向何處,都會看到一個更小、更原始的宇宙呢? 爲什麼我們越往遠處看,宇宙在各個方向就看起來越小、越原始? 這並不是因爲地球是宇宙的中心,而是因爲宇宙有一個邊界, 這個邊界不是空間的,而是時間的。 它對應於熱大爆炸框架開始描述的那一刻, 我們現在所在的宇宙,自熱大爆炸開始就已經過去了138億年。 從我們目前的視角來看,這個對我們來說並不特殊, 如果我們能夠瞬間將自己傳送回太空中任意的位置, 但前提是我們不需要穿越時空,我們也被發現同樣的事情。 自熱大爆炸開始,已經過去了138億年, 在我們這裏是這樣,在其他的地方也是這樣。 這是因爲大爆炸並非發生在某一個點或者空間的某個位置, 相反,它發生在某個時刻,但卻同時發生在所有地方, 至少在我們能夠觀測到的宇宙範圍內。 這意味着宇宙均勻性的概念有一個小小的警告, 它在空間上是均勻的,及在所有的位置都是相同的, 但在時間上並非如此。 換句話說,我們需要根據宇宙時間的調適, 以及宇宙在這段時間中的膨脹來調整我們對均勻性的概念。 這是因爲光束是有限的,任何發射的光都必須穿過宇宙, 即使宇宙本身在膨脹,才能達到我們的眼睛。 這就是爲什麼來自遙遠光源的光不僅會因爲宇宙膨脹而發生紅移或者拉伸, 而且我們所見到的物理也不再是它們現在的樣子, 而是它們現在發出的光發射時的樣子。 這並非我們地球人獨有的視角, 例如當我們觀測到當今已知宇宙最遙遠的星系-C14-0的時候, 我們看到的是它們當時的樣子, 當時的宇宙只有2.85億年,僅爲現在年齡的2.1%, 當時空間中有2點之間的距離僅爲今天的7%, 當時的宇宙平均密度幾乎是今天的3000倍。 如果我們身處這個星系內部,從相反的方向回望, 我們仍然會看到相容的景象, 一個最終成爲銀河系微小的原星系。 我們將看到銀河系在宇宙中僅2.85億年的歷史景象, 地球是宇宙中心的想法, 根植於大爆炸兩個核心誤解, 一是認爲大爆炸發生在太空中的某個特定位置, 所有物理都會像爆炸一樣快速遠離, 二是認爲我們看到的物理朝各個方向遠離我們, 就意味着我們正處於或者非常接近爆炸的中心。 但這並非事實,我們所有的觀測都表明了這一點, 如果大爆炸是一場爆炸, 那麼距離越遠,物理數量就會越少, 我們看到越遠,密度就會越低, 而不是像我們觀測的數值那麼高。 而且宇宙在遠處的溫度不會比近處高, 而不是像我們觀察到的那樣, 隨着距離越遠,溫度越升高, 我們不太可能輕易下決論, 也不會就宇宙的起源和歷史這樣的重大問題達成科學共識, 除非有重要的科學發現。 就熱大爆炸而言,情況確實如此。 正因如此,一個想法的萌芽經歷了數十年才得以發展, 直到20世紀60年的中期才被廣泛接受, 而且死後經受了各種挑戰。 儘管略有修改,我們看得越遠,宇宙看起來就越年輕。 因爲它存在的時間有限, 正如伽穆夫很久以前就說過, 大爆炸是沒有昨天的一天, 我們看得越遠,就越能看到當時發生的事件。 憑藉新的觀測能力, 我們準備比以往任何時期都更接近宇宙誕生的那一刻。 毋庸置疑,宇宙是無比浩瀚的, 從我們的角度來看,地球似乎是萬物的中心, 這既是一個膨脹中的宇宙的祝福, 也是一個詛咒,宇宙沒有中心。 但與此同時,包括我們在內的所有觀察者, 都可以提索當然地宣告我是這一切的中心。 我們從地球出發, 看見了一個以自己爲中心的可觀測宇宙。 我們隨着太陽在銀河系中不斷前進, 卻始終無法看到旅程的終點。 宇宙沒有賦予我們地球特殊的位置, 它在各個方向都是均勻對稱的。 但這並不意味着我們不重要, 恰恰相反,正是因爲我們身處其中, 纔有機會追問宇宙究竟去往何處, 而我們又將是在無盡的時間長河中走向怎樣的未來。