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雖然我們現在還無法觀察到461億光年外的宇宙，但隨著時間的推移，宇宙更多的未知將逐一呈現。（圖片來源：wikipedia）
138億年前，一場大爆炸為宇宙漫長的演化之路拉開了序幕。如今，在回溯這一事件時，不知道讀者有沒有考慮過這樣的問題：我們能找到宇宙大爆炸發生的準確地點嗎？或者說，宇宙存在這樣一個中心嗎？
撰文 | 伊森·西格爾（Ethan Siegel）
編譯 | 石雲雷
審校 | 吳非
我們首先來看生活中普通的爆炸過程。對於一次爆炸，無論起因是什麼，它都滿足以下幾個條件：爆炸發生在特定的位置；最初源自一個很小但有限的體積；爆炸迅速向外部各個方向膨脹。
當爆炸發生時，外部的一些物體會受到衝擊，被巨大的推力以放射狀推向遠處。而較輕的物質在空間中飛行的距離更遠，因此即使能量密度在爆炸的各個方向都下降了，但離爆炸中心越遠，密度下降越快。因此，通過測定不同粒子的軌跡，我們能重建爆炸發生的地點。
但是，上述的爆炸圖景，並不符合我們宇宙的情況。距離我們百萬光年、甚至幾十億光年的區域，看起來與我們這裡沒有任何差別。在現有的宇宙空間中，各個區域的密度、能量和星係數量等，幾乎是相同的。
到了更接近宇宙邊緣的區域，情況開始出現變化。我們觀測到，在數百億光年外，天體的年齡與我們周圍的天體不同。距離越遠，天體更加年輕，數量更多但體型較小。儘管我們最遠只能觀察到300億光年外的星系，但如果能追蹤並重建每個天體的移動軌跡，讓它們回到原點，我們將看到最不可思議的結果：宇宙「中心」就在我們身邊。
圖片來源：NASA / STScI / A. Felid
當然，這樣的結果並不能說明什麼——畢竟是根據我們的觀測範圍進行的重建。那麼，在宇宙的上萬億個星系中，我們所處的星系在最開始時恰好位於大爆炸中心的概率有多大？
推測宇宙起點？
要讓我們處在宇宙的中心，最初的爆炸需要滿足以下條件：
不規則、不均一的密度，
恆星誕生、星系生長的時間不同，
不同區域的能量存在巨大差異，
在所有方向上，都具有神秘的2.7K微波背景輻射。
但即使我們設計了很多解釋，依舊無法理解許多觀察結果。這種設計出的大爆炸場景不僅不真實，還違反了已知的物理學規律。
然而，我們的宇宙遵循萬有引力定律，而愛因斯坦的廣義相對論適用於一個充滿物質和能量的宇宙，而不是爆炸時的宇宙。如果宇宙各處的物質處於均衡狀態，具有同樣的溫度和密度，那麼宇宙一定要麼膨脹，要麼在坍縮。由於我們觀察到其他天體在後退，宇宙膨脹是唯一合理的解釋。
一直以來，存在一種誤解，即根據膨脹的宇宙，我們能推測宇宙最初膨脹的起點。這是不正確的，宇宙能被推回到一個具有明確特徵的有限區域，但之後宇宙會根據萬有引力定律演化。
這將導致宇宙各處不可避免地出現相同的特徵。這也意味著，任何大小一致的空間區域，其密度、溫度以及星系的數量總是一致的。我們還能看到隨時間演化的宇宙：離我們越遠的地方，反映出的是更古老的宇宙狀態，膨脹程度較低、受引力的影響更小，星系的數量也更少。
哈勃望遠鏡不斷拓展了可觀測宇宙的範圍，並向我們展示了一個星系類型、大小和密度隨時間逐漸演變的宇宙。（圖片來源：NASA, ESA, and Z. Levay, F. Summers）
一些遙遠星系持續釋放的光穿越膨脹的宇宙到達地球時，才能被我們檢測到。這需要長達數十億甚至百億年的時間，因此我們看見的是星係數十億甚至上百億年前的狀態。如果我們將時鐘向後撥，回到大爆炸的瞬間，會發現宇宙最初是由輻射主導的，並不存在物質。只有在宇宙膨脹、冷卻後，物質才變得重要。
隨著宇宙膨脹和冷卻，中性原子最終能穩定形成。曾經主導宇宙的輻射隨著宇宙的膨脹，逐漸紅移、冷卻下來。今天，我們看到的宇宙微波背景輻射就是大爆炸後遺留的輻射，它可以在宇宙的任何地方被觀測到。
宇宙一定存在一個中心嗎？不一定，這只是我們的認知偏見。我們知道，大爆炸發生的區域有一個相當於足球大小的下限，但它沒有上限，甚至可能是無限的。
如果宇宙真的有一個中心，它可能在任何地方，並且由於我們觀測到的宇宙範圍有限，我們有可能無從得知。我們需要看到宇宙的邊緣，或者觀察到它在宇宙尺度上的各向異性。然而，根據現有的觀測，宇宙是均一的。
拉尼亞凱亞超星系團，圖中紅點為銀河系所處的位置。（圖片來源：Nature）
「宇宙到處都在膨脹」
「宇宙是從哪裡開始膨脹的？」這個問題聽起來很合理。但一旦你理解了前文的討論，你就會發現這是個完全錯誤的問題。「在某一刻，宇宙到處都在膨脹」，可能就是這個問題的答案。很大程度上，「大爆炸」不是指宇宙中的特定區域，而是一個特殊時刻。
這就是大爆炸的本質：一個曾今在特定時刻發生的事件，不僅影響了整個可觀測宇宙的狀態，還可能是波及到了比它大得多的區域。這就是為什麼，當我們看見某個遙遠的天體時，我們看到的其實是它在遙遠過去的某個時刻。這就是為什麼無論我們看向哪裡，宇宙在任意方向上的特徵都基本一致。這就是為什麼我們可以通過觀測天體的演化來追溯宇宙的歷史。
基於現有的理論和觀測，仍然存在大量的未知。我們不知道宇宙的實際大小，只能根據可觀測宇宙的範圍設定一個下限：半徑至少是461億光年。
我們不知道宇宙的空間結構，是一個正曲率的球體還是負曲率的馬鞍，還是完全平坦，形似紙片或圓柱體。我們不知道它是會持續彎曲至首尾相接，還是會永遠膨脹下去。我們所知道的一切都是基於所觀察到的。目前的觀測支持這樣的結論：宇宙是無限大的平坦空間。但相反的信息或許就存在於下一組重要的觀測數據中，也可能在可觀測宇宙的範圍之外。重要的是，我們要繼續探索。
我們之所以還不能真正理解宇宙的本質，是因為我們接觸到的宇宙空間十分有限。即使我們開發出強大的探測器，能從宇宙中收集的信息也是有限的。或許，我們可能永遠都不知道宇宙是否有邊界、宇宙的幾何形狀是什麼。
不管你把宇宙的結構看作一條正在發酵的葡萄乾麵包，還是一隻粘著硬幣的膨脹氣球，需要記住的是，我們可以觀測的宇宙空間很可能只是宇宙很小的部分。我們的觀測，還只是為宇宙設置了一個下限。宇宙可能是有限的，也可能是無限的，但可以肯定，宇宙正在膨脹，密度越來越小，更遠的物體表現的是宇宙更早以前的形態。
原文連結：
https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2019/08/24/ask-ethan-where-is-the-center-of-the-universe/#33ccad695403
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編輯：aki