宇宙膨胀的五个问题，不知道你就太尴尬了

【博科园-科学科普】当我们观察遥远的宇宙时会继续看到所有的星系，在各个方向数百万光年，甚至数十亿光年。据估计有两万亿个星系可能会被人类观察到，其中的总和比我们大多数人想象的更壮观更壮美。

超遥远的宇宙视野显示星系以极快的速度离开我们。在这段距离内星系看起来更大，更小，演化得更少与附近的星系相比有更大的红移。图片版权：NASA, ESA, R. Windhorst and H. Yan

其中一个最令人困惑的事实是，在我们观察过的所有星系中，它们都服从相同的规则：离我们越远，它们就越快的远离我们。这一发现是由埃德温·哈勃和他的合作者在20世纪20年代发现的，这让我们看到了宇宙膨胀的图景。但是宇宙膨胀意味着什么呢？科学已知道了，现在你也应该知道了！

我们看得越远，就越回到我们所看到的不那么进化的宇宙。但只有广义相对论适用并统治一个膨胀的宇宙。图片版权：Wikipedia user Pablo Carlos Budassi

No.1、宇宙膨胀成什么?

这是一个听起来很合理的问题，因为其所有扩展都是由物质组成的并存在于宇宙的空间和时间内。但宇宙本身就是空间和时间也包含了所有的物质和能量。当我们说“宇宙在膨胀”的时候，意思是太空本身就是正在膨胀的东西，它使我们看到单个的星系和星系团相互远离。我所见过的最好的想象就是把一个面团和葡萄干放在一起，在烤箱里烤。

“葡萄干面包”模型的膨胀宇宙，相对距离随着空间(面团)的膨胀而增加。图片版权：NASA / WMAP Science Team

面团是空间的结构，葡萄干是被束缚的结构(比如星系或星系群)，从任何葡萄干的角度来看，所有其他的葡萄干都在远离它，更遥远的葡萄干更快地离开。只有在宇宙的情况下没有烤箱，在面团外面没有空气，只有面团(空间)和葡萄干(物质)。

导致红移不仅仅是星系正在远离我们，更确切地说我们和星系之间的空间，将光从那个遥远的点转移到我们的眼睛上。图片版权：Larry McNish of RASC Calgary Center

NO.2、我们怎么知道它是膨胀的空间的结构，不只是星系以不同的速度运动？

如果你看到物体向四面八方移动，可能是因为你和物体之间的空间在膨胀，这是一种可能性。但似乎合理的是你可以靠近爆炸中心，许多物体都离得更远，今天移动得更快，因为他们在爆炸中获得了更多的能量。如果后一件事是真的，那么将有两件证据可以证明：

1、因为随着时间的推移会更容易地在太空中扩散，因此在远距离和高速下星系将会减少

2、红移/距离关系将在很大距离上服从一个非常特殊的形式，这与扩大的空间结构是不同的

对红移/距离(虚线)和广义相对论(固体)的解释在膨胀的宇宙中距离的解释。最后，只有GR的预测与我们观察到的相符。图片版权：Wikimedia Commons user Redshiftimprove

当我们看很远的距离时会发现，在遥远的宇宙中星系的密度比附近的要大。这与空间扩张的图像是一致的，因为看远的地方和看过去的情况一样，在过去没有那么多的扩张。科学家还发现遥远的星系有一个与空间扩张的结构一致的红移距离，而且与星系之间的距离非常远，而不是仅仅从我们那里迅速移动。这是一个科学可以用两种截然不同的方式回答的问题，这两个答案都支持宇宙的膨胀。

一个明显的膨胀率(y轴)与距离(x轴)的图与一个在过去扩展得更快的宇宙是一致的，但现在仍在膨胀。这是一个现代版比哈勃最初的观测要多出几千倍。注意，这些点不构成一条直线，表明膨胀率随时间变化。图片版权：Ned Wright, based on the latest data from Betoule et al. (2014)

NO.3、宇宙是否总是以同样的速度膨胀？

我们称它为哈勃常数，但它只是空间上的一个常数。此时此刻宇宙正以比以往更慢的速度膨胀。当我们谈论膨胀率时它是一个单位距离：今天大约70公里/秒。(“Mpc”是一个百万秒，大约是326万光年) 但是膨胀率取决于宇宙中所有不同物质的密度，包括物质和辐射。随着宇宙的膨胀，物质和辐射会变得不那么致密，随着物质和辐射密度的下降，膨胀率也会下降。宇宙在过去膨胀得更快，自从大爆炸以来一直在减速。哈勃常数是一个误称，它应该被称为哈勃参数。

宇宙遥远的命运提供了一系列的可能性，但如果暗能量确实是一个常数，正如数据所显示的那样，它将继续沿着红色的曲线。图片版权：NASA / GSFC

NO.4、宇宙会永远膨胀？还是会停下来？甚至是坍塌？

对于几代人来说，这是宇宙学和天体物理学的圣杯问题之一，它只能通过确定宇宙膨胀的速度和所有不同类型(以及数量)的能量来回答。科学家们已经成功地测量了正常物质、辐射、中微子、暗物质和暗能量以及宇宙膨胀率的大小。根据物理定律和过去发生的事情，宇宙将会一直膨胀下去。虽然这不是百分之百的确定性，如果像暗能量在未来的行为与过去和现在的行为不同，我们所有的结论都将被修正。

No.5、是否有星系以比光速更快的速度移动？

从我们的观点来看中间的空间正在扩大。物质就越快远离我们，即使膨胀率很小，一个足够远的物体最终会越过任何有限速度的阈值，因为膨胀率(每距离的速度)乘以一个足够大的距离会使你的速度达到你想要的速度。但这在广义相对论中是可以的！没有什么比光速还快的定律只适用于物体在空间中的运动，而不是空间本身的膨胀。在现实中星系本身只是以几百或几千千米/秒的速度移动，远低于光速的30万公里/秒的速度限制。是宇宙的膨胀导致了这次衰退和红移，而不是真正的银河运动。

在可观测的宇宙中(黄色圆圈)，大约有2万亿个星系。由于宇宙的膨胀，我们所能观测到的宇宙边界的三分之一以上的星系都无法到达，只留下3%的宇宙空间对人类的探索“开放”。

宇宙膨胀是使物质和能量充满了一个时空的必然结果，它遵循广义相对论的定律。只要有物质存在引力就会吸引，引力就会赢，所有的物质都能聚集起来，否则引力就会失去，膨胀就会胜出。没有膨胀的中心，也没有宇宙膨胀的空间之外的东西，宇宙的结构本身就是在不断膨胀。最令人抓狂的是即使我们今天以光速离开地球，在可观测的宇宙中，只有3%的星系是可以到达的;其中97%已经超出我们的掌握。宇宙可能是一个复杂的地方，但至少你知道了五个最常被误解问题的答案！