如果宇宙處於膨脹之中 是否我們也會膨脹呢？

膨脹的空間結構意味著星系離我們越遠，其遠離我們的速度就越快。

地球鄰近的時空受太陽和其它天體引力影響而發生彎曲，它是構成可觀測宇宙較大區域的一部分，在這個體積範圍內，空間結構出現膨脹。

我們並未觀測到空間的真實結構，僅是宇宙物質和輻射。

圖中頂部是宇宙物質，中部是放射線，底部是宇宙膨脹過程中不斷變化的宇宙常數。

圖中是室女座超星系團中各種星系群聚集在一起，在較大範圍內，宇宙是均勻的，但是當你觀察星系或者星團時，超密度和低密度的區域佔據主導，而宇宙則顯得非常不均勻。

自上世紀30年代，科學家就知道宇宙開始膨脹，但是我們是否也隨之一起膨脹，這是科學家經常提及的問題。通常人們的自我意識會認為宇宙不會膨脹，而是宇宙任何事物逐漸收縮，我們如何區分其間的差異性呢？

如果宇宙處於膨脹之中，那麼我們是否也會膨脹呢？目前，專門研究量子引力和高能物理的理論物理學家薩賓·霍森菲爾德（Sabine Hossenfelder）撰文對這一觀點進行深入分析。他指出，採用數學方法或許是最佳解答方案，但是該問題很難通過一系列方程式進行解答，因此這是一個概念性問題。

薩賓指出，理解宇宙膨脹的第一條線索是空間-時間廣義相對論，而不是空間廣義相對論，正如1908年科學家赫爾曼·明科夫斯基（Herman Minkowski）所說的：「從今以後，空間就是空間，時間就是時間，只有兩者保持一個獨立現實體，否則它們將在陰影中逐漸消失。」

第二條線索是必須從科學測量角度進行解答，至少原則上是這樣的。我們無法觀測空間，也無法觀測空間-時間之間的關係，我們僅能觀察空間-時間如何影響物質和輻射，我們通過探測器能夠進行測量。

第三條線索是廣義相對論中的「相對性」，這意味著每位觀測者可以選擇自己所描述的空間-時間關係，雖然每個觀察者的計算結果都不相同，但他們會得出相同的結論。

基於以上三條重要線索，將使我們更深入地洞悉宇宙膨脹狀況。宇宙學家採用「弗里德曼·羅伯森·沃克模型（該模型以發明者命名）」描述宇宙，基本假設是空間充滿物質和輻射，它們在每個區域和方向都具有相同密度。正如術語所描述的，它具有均勻和等向性，這種假設被稱為「宇宙原理」。

雖然該宇宙理論最初僅是一個貌似真實的假設，同時也獲得了證據支持。在大比例尺度上，物質確實分布在宇宙每個區域。但很明顯的是，在較短距離範圍，例如：銀河系內部，銀河系是一個盤狀結構，多數質量聚集在中心隆起部分，這些物質質量並非均勻分布。因此「弗里德曼·羅伯森·沃克模型」並不適用描述此類星系。

這是一個關鍵點，如果忽視它，將會混淆宇宙膨脹的起源論，描述宇宙膨脹的廣義相對論方案可以解釋愛因斯坦方程式，但它僅適用於較大的宇宙空間。但是描述星系的方法是不同的，一種方法認為宇宙不會膨脹，宇宙並非不知不覺地膨脹，而是根本不會膨脹。完整描述宇宙膨脹的解決方案是——在非膨脹星系之間膨脹空間。目前基於其數學複雜性，該解決方案僅是通過計算機模擬獲得的結果。

你可能會問，達到怎樣的距離會出現宇宙膨脹？當宇宙平均體積非常大，物質的自吸引引力弱於膨脹牽引力，對於原子核，宇宙平均體積越大，其平均密度就越小；但是只有超越了星系簇等級的範圍，才會出現膨脹。在非常短的距離，當核作用力和電磁作用力並未中立時，它們也會對引力牽引產生作用，這樣可以安全保護原子和分子，不會被宇宙膨脹撕碎。

但事實是這樣的，我所講的都依賴於一種「自然方法」，能夠分割空間成為空間-時間。宇宙微波背景輻射（CMB）將幫助我們實現，分割空間和時間的方法僅有一個，宇宙微波背景輻射在所有方向上都保持相同性。分割之後，研究人員仍能採集到時間標籤，但是分割已完成。

打破科學家赫爾曼·明科夫斯基所提及空間和時間統一性的方法是一種「空間切片法」，的確，這非常像切麵包片，每一個切片都間隔一定的時間。科學家有許多方法切片麵包片，也會有更多的方法切割空間-時間，依據霍森菲爾德所提及的第三條線索，這種情況是完全被允許的。

霍森菲爾德指出，物理學家選擇切片法的理由通常是通過巧妙地「切片」，能夠使計算很大程度地簡單化，但是如果你真的堅持，一些「宇宙切片」將證實空間不發生膨脹。然而，這些切片會變得非常棘手：很難對它們進行解釋，並做出計算。對於這樣的切片，例如：隨著時間的推移將你推至太空，這完全不是憑直覺完成的。

事實上，你可以在地球周圍的空間-時間範圍內完成，你可以分割空間-時間，從而使人類周圍的空間保持平坦，儘管如此，這種分割很難實現，並且沒有任何意義。這種情況下存在第二條線索的關聯性，我們真的不必討論空間如何開始，正如你堅持宇宙不會膨脹的空間定義，但是你可以想像，將定義的空間想像為一座城市，例如：美國布魯克林市，它發生膨脹。假設一個街道長1英里，第二天膨脹會使街道變成2英里，下個星期這個街道會變成10英里，以此類推，很明顯這種假設很愚蠢，是沒有意義的。

但是目前研究人員可以藉助測量手段，例如：在一個固定高度，在兩個街道末端進行激光束反射測距，或者使用原子鐘測量兩次激光束反彈之間的時間間隔。你將發現時間間隔總是相同的。

原子鐘依賴於恆定不變的原子躍遷頻率，與重心引力相比，原子內部的引力可以完全忽略不計，它比重心引力低大約40個數量級，固定在一定高度可避免地球引力所造成的引力紅移。不管研究人員使用哪個坐標，總能發現相同和清晰的測量結果：激光反彈的時間間隔是相同的。

在宇宙學中，這將有助於弄清我們所測量的事物，我們不測量星系之間的空間大小，那我們怎麼做呢？我們測量了遙遠星系的光線，結果表明它們存在有條不紊的紅移。一個簡單的方法可以描述這一過程，使用空間-時間分割可使計算和解釋變得更加簡單，有用於描述星系之間膨脹的空間。

因此，這個答案非常簡單：隨著宇宙膨脹，宇宙中任何束縛物質都不會發生膨脹。來自遙遠星系的光線朝向紅端移動，意味著那些遙遠星系逐漸遠離我們地球。如果我們使用空間-時間分割法，宇宙物質仍保持靜止狀態，之後宇宙物質密度減少，這可以不援引廣義相對論進行解釋。（來源：新浪科技/葉傾城）

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！