大约一个世纪前，科学家们努力调和阿尔伯特·爱因斯坦广义相对论中一个看似矛盾的地方。
该理论于1915年发表，当时已被物理学家和数学家广泛接受。它假定宇宙是静态的——不变、不动且永恒。简而言之，爱因斯坦认为如今宇宙的大小和形状，或多或少与它一直以来的大小和形状相同。
但当天文学家通过强大的望远镜观测夜空远处的星系时，他们发现迹象表明宇宙并非如此。这些新的观测结果表明事实恰恰相反——宇宙正在膨胀。
科学家们很快意识到，爱因斯坦的理论实际上并未表明宇宙必须是静态的；该理论同样可以支持宇宙膨胀的观点。事实上，通过使用爱因斯坦理论提供的相同数学工具，科学家们创建了新模型，这些模型表明宇宙实际上是动态且不断演化的。
我花了数十年时间试图理解广义相对论，包括我目前作为物理学教授讲授这门课程。我知道，理解宇宙不断膨胀这个概念可能会让人望而生畏，部分挑战在于要克服对事物运行方式的固有直觉。
例如，很难想象像宇宙这么大的东西竟然根本没有中心，但物理学告诉我们这就是事实。
### 星系间的空间
首先，让我们定义一下 “膨胀” 的含义。在地球上，“膨胀” 意味着某物正在变大。对于宇宙而言，某种程度上也是如此。膨胀也可能意味着 “所有东西都在离我们远去”，就宇宙而言，这同样成立。用望远镜观测遥远的星系，它们看起来都在远离我们。
而且，星系距离我们越远，它们远离的速度似乎就越快。这些星系彼此之间似乎也在远离。所以更准确的说法是，宇宙中的所有事物都在同时彼此远离。
这个概念很微妙但至关重要。人们很容易将宇宙的诞生想象成烟火爆炸：从一次大爆炸开始，然后宇宙中的所有星系从某个中心点向各个方向飞散。
但这个类比并不正确。它不仅错误地暗示宇宙的膨胀始于一个单点，实际并非如此，而且它还暗示是星系在移动，这也不完全准确。
并不是星系彼此在远离，而是星系之间的空间，即宇宙的结构本身，随着时间的推移在不断膨胀。换句话说，并非星系自身在宇宙中移动，更确切地说，是宇宙在膨胀的过程中带着它们离彼此越来越远。
一个常见的类比是想象在气球表面贴上一些点。当你向气球里吹气时，气球膨胀，因为这些点附着在气球表面，所以它们之间的距离会变大。
尽管这些点看起来像是在移动，但实际上它们一直待在你放置的位置，它们之间距离的增大仅仅是因为气球的膨胀。
现在把这些点想象成星系，把气球想象成宇宙的结构，你就开始有概念了。
不幸的是，虽然这个类比是个好的开始，但它在细节上也不完全准确。
### 第四维度
任何类比都需要理解其局限性。一些缺陷很明显：气球小到可以拿在手中，而宇宙并非如此。另一个缺陷则更为微妙。气球有两部分：它的乳胶表面和充满空气的内部。
在数学语言中，气球的这两部分描述方式不同。气球表面是二维的。如果你在上面行走，你可以向前、向后、向左或向右移动，但如果不离开表面，你就无法向上或向下移动。
现在听起来我们好像说了四个方向 —— 向前、向后、向左和向右，但这些只是沿着两条基本路径的移动：左右和前后。这就是使表面成为二维的原因 —— 长度和宽度。
另一方面，气球内部是三维的，所以你可以在任何方向自由移动，包括向上或向下 —— 长度、宽度和高度。
这就是混淆所在。我们认为气球的 “中心” 是在其内部某个点，在表面下方充满空气的空间里。
但在这个类比中，宇宙更像是气球的乳胶表面。气球充满空气的内部在我们的宇宙中没有对应物，所以我们不能用这个类比的这一部分，只有表面才有意义。
所以问 “宇宙的中心在哪里？” 有点像问 “气球表面的中心在哪里？” 根本就没有中心。你可以沿着气球表面向任何方向行进，想走多久就走多久，但你永远不会到达一个你可以称之为中心的地方，因为你实际上永远不会离开表面。
同样，你可以在宇宙中向任何方向行进，但永远找不到它的中心，因为就像气球表面一样，宇宙根本没有中心。
这个概念难以理解的部分原因，是因为宇宙在数学语言中的描述方式。气球表面有二维，气球内部有三维，但宇宙存在于四维之中。因为这不仅关乎事物在空间中的移动方式，还关乎它们在时间中的移动方式。
我们的大脑生来就将空间和时间分开思考。但在宇宙中，它们交织成一个单一的结构，称为 “时空”。这种统一改变了宇宙相对于我们直觉预期的运行方式。
而这个解释甚至还没有开始回答某物如何能无限膨胀的问题，科学家们仍在努力弄清楚是什么推动了这种膨胀。
所以在询问宇宙中心时，我们正面临着直觉的局限。我们得到的答案 —— 一切都在同时在各处膨胀 —— 让我们得以一窥宇宙是多么奇特而美妙。
（罗布·科因，罗德岛大学物理学教学教授）
（本文根据知识共享许可协议从《对话》重新发布。阅读原文。）
