人类对宇宙的认识，其中有两件事比其他任何事情都更让人感到惊讶：宇宙并不是永远存在的，但自从宇宙大爆炸以来，宇宙只存在了有限的一段时间，而且自从宇宙大爆炸发生以来，宇宙一直在膨胀。大多数人的直觉是听到“砰”的一声响，然后想象到一般的爆炸现象，然后设想场景，就像弹片向四面八方飞出一样。宇宙中的物质和能量一下子就开始处于一种炽热和致密的状态，然后随着所有不同的成分彼此加速而膨胀和冷却。
绝大多数人会困惑的想知道为什么宇宙没有中心？为什么宇宙背景辐射，远到我们看的每一个地方，充满了宇宙。在大多数人看来，当宇宙膨胀时，应该有一个地方让它开始扩张。毕竟，这个问题所问的正是每当遇到爆炸问题时与经验相一致的东西。无论何时发生爆炸，无论它是基于燃烧反应，核爆炸，还是容器超压引起的破裂等，都有三个相同的特点：
1、爆炸总是从特定位置开始
2、爆炸最初只占很小但有限的体积
3、爆炸向四面八方迅速向外扩张，只受遇到的外力和障碍的限制
当发生爆炸时，一些材料通常会被包裹住和受到影响，并将被径向外推，其中一些材料（通常是最轻的材料）向外移动最快。移动最快的材料将比其他较重材料扩散得更快更远，因此爆炸辐射密度也会降低。尽管能量密度到处都在下降，但能量在离爆炸越远的地方下降得越快，因为更多的能量和物质更快地变得不那么致密。这是通常爆炸发生的场景和物理分析，但仅仅通过测量这些不同碎片的轨迹，就可以随时重建发生爆炸的地方。
但是这种一般爆炸与宇宙大爆炸不一样，这地球上，宇宙看起来和几百万光年甚至几十亿光年之外的宇宙一样。宇宙具有相同的密度，相同的能量，在给定空间体积中有一样多的物质等等。越远的物体，确实比离得越近物体远离速度更快，但它们与速度较慢、距离较近物体的年龄不同。相反，当我们看到极端遥远的距离时，更远的那些物体看起来更年轻，演化得更少，数量更多，尺寸和质量更小，尽管现在通过强大的望远镜，可以看到距离超过300亿光年的星系。
但如果追踪一切事物是如何运动的，并将万物的轨迹重建回一个共同起点，就会看到最不可能的结果：所谓的“宇宙中心”正好落在我们身上。在宇宙中所有万亿个星系中，我们恰好处于宇宙大爆炸中心的几率有多大？在这些微不足道的基础上，最初的爆炸就是以这样的方式进行：
1、不规则，不均匀的密度
2、恒星形成和星系形成开始时间不同
3、能量在不同的地方有着巨大的差异
4、神秘的2.7K背景光辐射所有方向
为了让我们处于宇宙的中心，必须想出很多办法来解释这一点，而且许多观察结果仍将令人费解。支配宇宙的引力定律，即爱因斯坦的广义相对论预测了一个充满物质和能量的宇宙。一个到处都充满相同数量的物质，具有相同平均密度和温度的宇宙，必须要么膨胀，要么收缩；因为天文学家观察到明显的衰退，所以膨胀解是唯一的物理解决方案。就像4的平方根可以是+2或者-2，但是只有一个和你手中苹果的实际数量相对应。
有一种误解，认为膨胀的宇宙可以外推回一个点；但并不是真的可以，相反，宇宙可以外推回具有某些性质有限大小的区域（即充满了物质、辐射、物理定律等），但随后必须根据引力理论定律规则进行演化。这必然会导致一个到处都有相似属性的宇宙，这意味着在任何有限，同样大小的空间区域中，应该看到宇宙的密度相同，宇宙的温度相同，星系的数量相同等等。还会看到一个似乎随着时间演化的宇宙，因为在我们看来，更遥远的区域应该和过去一样，膨胀较少，经历了较少的引力吸引和较少的物质聚集量。
因为宇宙大爆炸在有限的时间内同时发生在每一个地方，宇宙的局部角落将会看起来是宇宙中最古老部分。从“我们的”有利位置来看，附近的万物几乎和我们一样古老，但是在遥远距离上出现的东西，更类似于我们附近宇宙在几十亿年前的样子。存在的遥远星系不断地发出光，我们看到的光只是它N年前的模样，这段旅程通过不断膨胀的宇宙到达我们之后才到达。光需要10亿年或100亿年才到达这里的星系看起来就像10亿年或100亿年前一样。
如果我们回到过去，接近宇宙大爆炸的那一刻，会发现宇宙在年轻的时候是由辐射主导，而不是物质。宇宙必须膨胀和冷却，使物质在能量方面变得更加重要。随着时间的推移，随着宇宙的膨胀和冷却，中性原子最终可以稳定地形成，而不会立即被炸开。然而，曾经主宰宇宙的辐射仍然存在，并且由于空间的膨胀而继续冷却和红移。今天所感知到的宇宙微波背景与宇宙大爆炸留下的余辉一致，可以从宇宙的任何地方观察到。宇宙不一定有中心，只有偏见的直觉告诉我们应该有一个中心。
我们可以对发生宇宙大爆炸区域的大小设定一个下限，这个区域不能小于足球的大小，但没有上限；宇宙大爆炸发生的空间区域甚至可能是无限的。如果真的有一个中心，可能在任何地方，我们将无法知道。观察到的宇宙部分不够大，不足以揭示这些信息，需要看到宇宙的边缘（但目前没有实现）或者在不同方向出现不同地方观察到基本的各向异性，我们需要看到宇宙在最大宇宙尺度上看起来不同的区域（但宇宙似乎是均匀的）。
这个问题听起来很合理，宇宙是从哪里开始膨胀的？但是一旦你意识到以上所有的事情，就会意识到这是一个完全错误的问题。“无处不在，一下子”是这个问题的答案，这在很大程度上是因为宇宙大爆炸并不是指空间中的一个特殊位置，而是指时间上的一个特殊时刻。宇宙大爆炸一种影响整个可观测宇宙的条件（可能还有比这大得多的区域）在一个特定的时刻一下子全部影响到。这就是为什么看着太空中更远的物体，意味着看到那个物体就像它在遥远过去那一刻一样的原因。
这就是为什么所有方向看起来都有相同性质，不管我们往哪里看都是一样的。这就是为什么可以追溯宇宙的历史。理论和观察告诉我们仍然有大量东西仍然是未知的。例如，不知道整个宇宙的实际大小；但有一个下限，那就是从我们的角度来看，现在宇宙在所有方向的半径必须至少为461亿光年。我们不知道空间结构的形状是什么，也不知道它是正弯曲像球体，负弯曲像马鞍，还是完全平坦，像薄片或圆柱体。也不知道宇宙是否会自我弯曲，或者它是否会永远持续下去。
我们所知道的一切，都是基于天文学家所能观察到的。从这些信息中，可以得出结论，宇宙大小是无限的，宇宙与完美的平坦度一致，但是相反信息可能位于下一个重要的数据位数，或者仅仅超出可观测宇宙的地平线。我们不知道宇宙真实本质（整个不可观测宇宙）的原因是：因为可以接触到的部分非常有限。关于宇宙，我们能够收集到的信息有限，即使开发出了任意强大的仪器和探测器。非常有道理的是，即使我们等待无限的时间，也永远不会知道宇宙是有限的，还是无限的，或者宇宙的几何形状是什么。
无论你把太空结构看作是葡萄干面包的发酵面包，还是表面粘有硬币的膨胀气球，都必须记住，我们所知的宇宙很可能只是实际存在任何东西的一个微小组成部分。宇宙可以是有限的，也可以是无限的，但可以确定的是，宇宙正在膨胀，变得不那么致密。
博科园 补充相关数据：①宇宙诞生了约138.17亿年；②宇宙现今的下限半径为461光年；③宇宙分为可观测宇宙直径（哈勃体积）960亿光；④不可观测宇宙仍未知，但很可能远远大于可观测宇宙，有一个理论数据为23万亿光年。博科园｜文：Ethan Siegel/Forbes Science/S.W.A.B
发表于 2020-8-3 03:01
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