宇宙存在一个中心吗？

无论我们朝哪个方向看，也无论我们的望远镜和仪器能够观测到多远，宇宙在宏观尺度上看起来都差不多。星系的数量、星系的类型、星系中恒星的数量、正常物质和暗物质的密度，甚至我们所看到的辐射的温度都是均匀的，这与我们朝哪个方向看无关。在最宏大的宇宙尺度上，在数十亿立方光年的尺度上，任何两个区域之间的平均差异仅为 0.003%，约为三万分之一。

事实上，我们看到的最大差异并不取决于我们朝哪个方向看，而是取决于我们看得有多远。我们看得越远，我们观察到的宇宙就越久远，来自这些遥远物体的光向波长较长的方向偏移的程度就越大。很多人听到这个消息后，脑海中就会浮现出一个特定的画面：光偏移的程度越大，这些物体远离我们的速度就越快。因此，如果你朝所有方向看，然后重新构建“在太空的哪个点，我们会看到所有方向都均匀地后退？”，你就可以找到宇宙的中心。

如果我们愿意，我们可以进行这种尝试，但我们最终得到的并不是“宇宙的中心”。以下是我们关于宇宙中心的最佳科学知识的真实情况。

以接近光速移动的物体会发出光线，根据观察者的位置，其发出的光线会出现偏移。左侧的人会看到光源远离它，因此光线会发生红移；而右侧的人会看到光源发生蓝移，即随着光源向其靠近，光线会移向更高频率。

我们大多数人凭直觉就能理解，当物体朝你移动时，它们发出的波会呈现出压缩状态，波峰和波谷会更接近。同样，当它们远离你时，波看起来与压缩相反，即变得稀疏，波峰和波谷比静止时更远。虽然我们通常在声音中体验到这种现象，因为你可以根据声音的音调判断消防车、警车或冰淇淋车是朝你移动还是远离你，但对于任何波，包括光，都是如此。我们将这种基于运动的波移位称为多普勒效应，以其发现者命名。

只是，对于光来说，波长的变化并不对应音调的升高或降低，而是能量的升高或降低。对于光来说：

· 波长越长，频率越低，能量越低，颜色越红，

· 而波长较短则意味着频率较高、能量较高、颜色较蓝。

对于我们测量的任何单个物体，由于宇宙中物质的性质，其中都会存在我们可识别的原子和离子。所有原子和离子都只发射或吸收特定波长的光；如果我们能识别出存在哪些原子，并能测量这些光谱线的系统性偏移，我们就能计算出光实际上的红移或蓝移程度。

正如维斯托·斯利弗 (Vesto Slipher) 在 20 世纪 10 年代首次指出的那样，我们观察到的一些物体显示出特定原子、离子或分子的吸收或发射光谱特征，但会系统性地向光谱的红端或蓝端偏移。当结合这些物体的距离测量时，这些数据产生了宇宙膨胀的初步想法：星系距离我们越远，其光线在我们眼睛和仪器中出现的红移就越大。

当我们这样做时，我们发现了一些非常了不起的东西。对于最近的物体，我们看到红移和蓝移，对应的速度范围从几百到几千公里每秒。像银河系这样的星系，没有紧密地与大型、质量大的星系群或星系团联系在一起，通常速度较低，而靠近大型、质量大的星系团中心的星系可以达到光速的约 1-2%。

当我们看得更远，看更远距离的物体时，我们仍然看到相同的范围——我们所看到的星系之间的推断速度从数百到数千公里/秒不等——但一切都只是根据它们发出的光转变为更红的颜色而已。

观测结果非常清楚：物体距离我们越远，平均而言，观测到的红移越大。但这是因为当物体发出光时，相对于我们吸收和测量光时，物体实际上在空间中移动吗？还是因为宇宙尺度上正在发生整体膨胀，导致光在穿越我们与试图观察的物体之间的空间的漫长旅程中继续移动？

每当星系发光时，接收它的观察者最终看到的光将具有与光首次发射时不同的属性和波长，这归因于两个属性：光源相对于观察者的相对运动，以及光源和观察者之间发生的宇宙膨胀。距离星系越远，观察到的红移越大，观察到的时间膨胀量也越大，因为观察者接收到的信号也会随着时间的推移而“延长”。

第一种情况很容易理解——物体存在于空间中并在其中移动——但第二种情况需要一点解释。在爱因斯坦的广义相对论中，空间不仅仅是粒子和其他物体在其中移动的静态“背景”，而是一种结构的一部分，随着时间的推移，它根据其中存在的物质和能量而演变。某一特定位置的大质量将导致该结构在该位置周围弯曲，迫使该空间中的每个量子不沿直线运动，而是沿着由空间曲率决定的路径运动。例如，在日全食期间，星光围绕太阳的弯曲是第一个明确的测试，表明引力符合爱因斯坦的预测，这与牛顿的旧万有引力理论相矛盾。

广义相对论的另一个结论是，如果你有一个均匀充满物质或能量的宇宙，那么这个宇宙就无法维持一个静态不变的时空。所有这些解决方案都是不稳定的，你的宇宙必须膨胀或收缩。随着这个时空的演变，其中的光也会演变：

· 随着宇宙结构收缩，其波长也随之缩短，

· 或者说随着空间结构的扩展，其波长也会变长。

当光穿越宇宙时，空间演化的影响会印刻在最终到达我们眼睛的光的属性上。

当光从光源发射时，它具有特定的波长。它在被观察者吸收之前必须穿越膨胀的宇宙的时间越长，与发射时的波长相比，该光的波长红移或拉伸的程度就越大。

原则上，这两种效应都在发生。空间结构本身在演变，导致在其中传播的光系统性地移动，而宇宙中的星系和其他发光物体也在演变的空间中移动，导致运动相关的移动。

从第一原理来看，我们无法知道哪一个会导致我们的宇宙经历的主要影响。从数学上讲，同一个方程可以有多个解，广义相对论方程也不例外。宇宙——被观察为充满“物质”——可能正在膨胀或收缩。叠加在这种宇宙学转变之上，我们有望发现所谓的特殊速度，或者宇宙中的物质如何由于宇宙中所有其他物质和能量源的引力等影响而移动。

无论我们观察到某个特定物体发生了怎样的变化，都是所有这些影响的综合作用。当我们仅仅测量一个物体发出的光是如何变化的时候，我们无法知道哪个部分是宇宙学的，哪个部分是非宇宙学的。但是，通过观察许多物体在很远的距离上的变化，我们可以从总体的平均趋势中发现宇宙整体是如何演变的。

埃德温·哈勃的原始星系距离与红移关系图（左），确立了宇宙的膨胀，而右则是大约 70 年后更现代的对应图。许多不同类型的物体和测量方法都用于确定物体的距离与其视在退行速度之间的关系，后者是我们根据物体相对于我们的光的相对红移推断出来的。如您所见，从非常近的宇宙（左下）到十亿光年以外的遥远地点（右上），这种非常一致的红移-距离关系仍然成立。

正如 20 世纪 20 年代末首次指出的那样，证据不仅压倒性地指向宇宙正在膨胀，而且宇宙膨胀的预测方式与广义相对论对宇宙均匀填充各种物质和能量的预测惊人地一致。一旦你知道你的宇宙是由什么组成的，以及它现在是如何膨胀的，广义相对论的方程式就是完全可以预测的：我们可以计算出宇宙在过去每个时刻的大小、分离距离和瞬时膨胀率，以及它在未来每个时刻会是什么样子。

然而，如果情况确实如此，那么膨胀的宇宙就根本不像一场爆炸，爆炸有一个起点，所有东西——就像弹片一样——以不同的速度向外飞去。相反，膨胀的宇宙更像是一块正在发酵的面团，里面充满了葡萄干。如果你是一个受引力束缚的物体，比如一个星系，你就是其中一颗葡萄干，而空间本身就是面团。随着面团发酵，单个葡萄干似乎相对于彼此分离，但葡萄干本身并没有“穿过”面团。每颗葡萄干都认为自己相对静止，但它看到的每一颗其他葡萄干似乎都在远离它，距离越远的葡萄干似乎离得越快。

正如面团膨胀时，发酵面团中的葡萄干会彼此远离，宇宙中的星系也会随着空间结构本身的膨胀而彼此远离。所有测量宇宙膨胀的方法都无法得出相同的膨胀率，这一事实令人不安，这可能表明我们目前对宇宙膨胀的建模存在问题。

那么我们如何知道这个“面团”有多大，我们在里面的位置以及它的中心在哪里？

只有当我们能看到“面团”边缘以外的地方时，这个问题才有答案，而我们无法做到这一点。事实上，在我们可以观察到的宇宙部分的极限范围内，宇宙仍然是完全均匀的，在任何地方都处于相同的 1/30,000 误差之内。我们的大爆炸发生在 138 亿年前，这意味着我们最多可以看到所有方向约 460 亿光年的范围，即使在那个遥远的极限，它仍然非常均匀。这不会对以下方面造成任何限制：

· 代表我们宇宙的“面团”有多大，

· 超出我们可见范围的不可观测宇宙有多大，

· 不可观测宇宙的拓扑结构和连通性是什么，

· 我们的宇宙极限允许的“形状”是什么，

最后一个问题包括我们的宇宙是否有中心、中心是否有限以及我们相对于宇宙可能具有的任何更大结构的位置。我们可以得出的结论是，宇宙似乎与广义相对论完全一致，就像面团中的任何单个葡萄干都看不到面团边缘之外的东西一样，任何观察者都可以得出显而易见（但不正确的）的结论，如果你看到一切都远离你，你会得出这样的结论：“我在或非常接近实际的精确中心。”

从我们的角度来看，可观测宇宙可能在各个方向都有 460 亿光年，但肯定还有更多，就像我们这个宇宙一样，无法观测的宇宙。将任何特定点与中心联系起来是不公平的，因为我们所感知到的是由今天观察到的光发射以来经过的时间决定的，而不是宇宙的几何形状。

只是，“我们处在中心”的说法根本不正确。我们在太空中的位置唯一的优势是，我们看到的近处的物体是我们今天能看到的最古老、进化程度最高的物体，而距离较远的物体则更年轻。目前，附近的膨胀率低于我们在更远的地方看到的膨胀率。而且，与较远的物体相比，来自最近物体的光的红移较少，它们的位移受红移的宇宙学成分的影响较小。

这是因为整个宇宙中存在的物体都无法发送比光传播速度更快的信号，而我们今天观察到的来自它们的光对应于现在到达的光，但一定是在一段时间前发射的。当我们回顾太空时，我们也回顾了时间，看到了物体：

· 就像过去一样，

· 当它们更年轻，时间上更接近大爆炸时，

· 当宇宙变得更热、更致密、膨胀得更快时，

· 并且，为了让光到达我们的眼睛，它必须在整个旅程中被拉伸到更长的波长。

然而，如果我们想知道从我们的角度来看，所有方向在哪里真正显得尽可能完美统一，我们可以看看一件事：宇宙微波背景，它本身就是大爆炸留下的辐射。

尽管宇宙微波背景在所有方向上的温度大致相同（2.7255 K），但在一个特定方向上存在 1/800 的偏差（3.36 毫开尔文更热或更冷）：这与我们在宇宙中的运动一致。在 CMB 振幅本身的整体幅度为 1/800 时，这相当于光速的 1/800 的运动，从太阳的角度来看约为 368 公里/秒。

在太空的所有位置，我们都能看到均匀的辐射，温度精确为 2.7255 K。根据我们观察的方向，温度会有所变化，变化量在几十到几百微开尔文之间：对应于 1/30,000 的误差。但我们也看到，一个方向看起来比相反方向稍微热一点：我们在宇宙微波背景辐射中观察到的偶极子。

什么原因造成这个偶极子实际上相当大：约为±3.4毫开尔文？

最简单的解释是，回到我们讨论的开始，我们在宇宙中的实际运动。如果你愿意考虑，“在这个位置，我必须以这个特定的速度移动，这样我看到的辐射背景实际上是均匀的”，宇宙实际上有一个静止框架。我们的速度接近我们所在位置的正确速度，但有点偏差：这种偶极各向异性对应于大约 368 ± 2 公里/秒的速度或特殊速度。如果我们以这个精确的速度“加速”自己，或者保持我们目前的运动，但将我们的位置移动到大约 1700 万光年远的地方，我们实际上似乎处于一个与宇宙中心的简单定义难以区分的点：相对于整体观测到的宇宙膨胀处于静止状态。

附近星系和星系团的运动（如其速度流动的“线”所示）与附近的质量场一起绘制出来。最大的过密度（红色/黄色）和密度不足（黑色/蓝色）来自早期宇宙中非常小的引力差异。在最密集区域附近，单个星系可以以每秒数千公里的特殊速度移动，这种特殊速度在观察者的微波天空中产生明显的偶极子。对于以我们的位置为中心的 CMB 和宇宙膨胀的近静止框架的观测，最好的解释是将这种现象归因于我们在宇宙中观察到的局部（特殊）运动。

这真是太近了！毕竟，我们可以看见四面八方约 461 亿光年的范围，而 1700 万光年距离我们只有宇宙半径的 0.037%。但更清醒的事实不是我们靠近中心，而是任何星系中的任何观察者都会得出结论，他们也位于（或非常接近）中心。无论你位于宇宙的哪个位置，你都会发现自己存在于这个特定的时刻：大爆炸后的一段有限的时间。你所看到的一切都和它发出光时的样子一样，到达的光会因你观察到的物体相对于你的相对运动以及宇宙的膨胀而发生移动。

根据您居住的地方，您可能会看到宇宙微波背景中的偶极子对应于特定方向上数百甚至数千公里/秒的运动，但是一旦您解决了这个难题，您就会得到一个与我们的观点一样的宇宙：在最大尺度上，在所有方向上都是均匀的。因此，宇宙的中心在哪里是一个深刻的问题，但真正的答案是——没有中心——或许是最深刻的结论。