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气球比喻助懂无中心膨胀亦易误导需取舍谨慎。你或许在科普书NASA讲解或大学宇宙学课上见过这个比喻,在气球表面点上星系给气球充气,点与点彼此远离。不是因为他们在表面上滑动,而是表面被拉伸,于是得到一个无中心向各项扩张的宇宙。看似简单明白说他好,是因为这是少数能让人直观理解无中心也能整体变大的方式之一。说他坏是因为他暗藏误导。 一、真是气球有球心,你手里握着它朝外部变大,宇宙没有对应的外部中心,空间并不是向什么东西里扩张,扩张发生在空间自身的度量上,而不是穿过更大的盒子。 二、三维度错觉,气球表面是2D,现在3D空间,我们的宇宙是三维空间,随时间演化。我们说变大是说两点间的测量规则在变,而非星系在虚无中穿行,有线而无边,这点倒是贴切。若你是气球表面的二维生灵,可以一直走,最后回到原处,不会遇到边,这对应一种闭合且无边界的宇宙模型。 不过我们并不知道宇宙是否闭合,Planck等数据表明宇宙极接近平直,这可能意味着无限延展,也可能是更怪的平直。但多重连通的拓扑六气。忽略了时间时,气球顺滑鼓起,看不到宇宙真实的加速时,减速时也当然不能体现暗能量。尽管有缺点,它仍好用配合葡萄干面包类比,帮助我们建立与直觉相反的观念。宇宙可以无中心的增长,但该丢的时候要丢下它,宇宙并不像任何别的东西,它不嵌在更大的空间里,也不是某点爆开。 大爆炸发生在每一个地方,把气球当成辅助轮,先靠它保持平衡,终要面对宇宙真正的陌生。 大爆炸这个词本身就容易误导,仿佛宇宙里有个巨型火球,在空无中爆开,物质向外掀飞。若你据此去问大爆炸在哪发生,会永远走错路,因为没有常规意义的爆炸。没有爆点,没有TNT碎屑洒进空间。大爆炸不是在空间中的爆炸,而是空间本身的急速膨胀。明白这一点在哪发生,这个问题就失去意义。 回到最初,在星系原子甚至光子成型之前,宇宙处于炽热之密,几乎均匀的能量粒子态。它不是一堆东西飘在空间里,而就是空间是本身的态。 今天直径约460亿光年的可观测宇宙曾被压缩在一个更小的尺度中。它不是向外爆开而是处处开始扩张。当时的每一个点都对应后来宇宙中的每一个点。因此大爆炸不在某处发生,而是在空间结构本身发生。这这就是广义相对论登场之处。爱因斯坦场方程描述的不是爆炸,而是在能量动量存在时,空间与时间如何演化。其中一个解,即弗里德曼厄梅特罗伯逊沃尔克杜圭,描述了一个均匀各项同性随时间扩张或收缩的宇宙。这就是大爆炸
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整个宇宙空间一直在膨胀,不妨想象一个表面画着圆点的气球,当你给气球充气时圆点会彼此远离,即便它们本身从未在气球表面移动过,宇宙的运行规律与此如出一辙。 130亿年前,当一束光从某个遥远星系出发时,那个星系与我们的距离要近的多。但在这束光穿越宇宙抵达望远镜的数十亿年间,宇宙空间不断膨胀将那个星系推到了更远的地方。如今这个星系与地球的距离已达930亿光年,尽管它的光向我们展示的仍是它在几十亿光年外时的模样。正是这种膨胀造就了我们所处的宇宙泡泡。 在这个泡泡内部大约能观测到2万亿颗星系,夜空中你能看到的每一颗恒星,哈勃望远镜拍摄的每一张星系照片,每一个遥远的类星体与星云都位于这个930亿光年的球体范围内。科学家将其称为可观测宇宙,因为这是能够观测到的全部。而其余一切都隐藏在一道无法穿透的屏障之后。这道屏障并非由物质或能量构成,而是由时间本身铸就。 来自930亿光年以外区域的光根本没有足够的时间穿越不断膨胀的空间抵达地球,如今仍有部分光在朝着地球传播,它们携带的星系影像要等到数百万年后才能被人类首次观测到。 而令人匪夷所思的现实是这个930亿光年的泡泡仅仅是真实宇宙的一小部分,真正的宇宙远比我们能看到的广阔的多。这就像站在海滩上眺望地平线,你能看到约32公里的海面,但你知道地平线之外还有广阔的大陆与岛屿。
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