宇宙膨脹的五個問題，不知道你就太尷尬了

【博科園-科學科普】當我們觀察遙遠的宇宙時會繼續看到所有的星系，在各個方向數百萬光年，甚至數十億光年。據估計有兩萬億個星系可能會被人類觀察到，其中的總和比我們大多數人想像的更壯觀更壯美。

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超遙遠的宇宙視野顯示星系以極快的速度離開我們。在這段距離內星系看起來更大，更小，演化得更少與附近的星系相比有更大的紅移。圖片版權：NASA, ESA, R. Windhorst and H. Yan

其中一個最令人困惑的事實是，在我們觀察過的所有星系中，它們都服從相同的規則：離我們越遠，它們就越快的遠離我們。這一發現是由埃德溫·哈勃和他的合作者在20世紀20年代發現的，這讓我們看到了宇宙膨脹的圖景。但是宇宙膨脹意味著什麼呢？科學已知道了，現在你也應該知道了！

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我們看得越遠，就越回到我們所看到的不那麼進化的宇宙。但只有廣義相對論適用並統治一個膨脹的宇宙。圖片版權：Wikipedia user Pablo Carlos Budassi

No.1、宇宙膨脹成什麼?

這是一個聽起來很合理的問題，因為其所有擴展都是由物質組成的並存在於宇宙的空間和時間內。但宇宙本身就是空間和時間也包含了所有的物質和能量。當我們說「宇宙在膨脹」的時候，意思是太空本身就是正在膨脹的東西，它使我們看到單個的星系和星系團相互遠離。我所見過的最好的想像就是把一個麵糰和葡萄乾放在一起，在烤箱里烤。

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「葡萄乾麵包」模型的膨脹宇宙，相對距離隨著空間(麵糰)的膨脹而增加。圖片版權：NASA / WMAP Science Team

麵糰是空間的結構，葡萄乾是被束縛的結構(比如星系或星系群)，從任何葡萄乾的角度來看，所有其他的葡萄乾都在遠離它，更遙遠的葡萄乾更快地離開。只有在宇宙的情況下沒有烤箱，在麵糰外面沒有空氣，只有麵糰(空間)和葡萄乾(物質)。

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導致紅移不僅僅是星系正在遠離我們，更確切地說我們和星系之間的空間，將光從那個遙遠的點轉移到我們的眼睛上。圖片版權：Larry McNish of RASC Calgary Center

NO.2、我們怎麼知道它是膨脹的空間的結構，不只是星系以不同的速度運動？

如果你看到物體向四面八方移動，可能是因為你和物體之間的空間在膨脹，這是一種可能性。但似乎合理的是你可以靠近爆炸中心，許多物體都離得更遠，今天移動得更快，因為他們在爆炸中獲得了更多的能量。如果後一件事是真的，那麼將有兩件證據可以證明：

1、因為隨著時間的推移會更容易地在太空中擴散，因此在遠距離和高速下星系將會減少

2、紅移/距離關係將在很大距離上服從一個非常特殊的形式，這與擴大的空間結構是不同的

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對紅移/距離(虛線)和廣義相對論(固體)的解釋在膨脹的宇宙中距離的解釋。最後，只有GR的預測與我們觀察到的相符。圖片版權：Wikimedia Commons user Redshiftimprove

當我們看很遠的距離時會發現，在遙遠的宇宙中星系的密度比附近的要大。這與空間擴張的圖像是一致的，因為看遠的地方和看過去的情況一樣，在過去沒有那麼多的擴張。科學家還發現遙遠的星系有一個與空間擴張的結構一致的紅移距離，而且與星系之間的距離非常遠，而不是僅僅從我們那裡迅速移動。這是一個科學可以用兩種截然不同的方式回答的問題，這兩個答案都支持宇宙的膨脹。

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一個明顯的膨脹率(y軸)與距離(x軸)的圖與一個在過去擴展得更快的宇宙是一致的，但現在仍在膨脹。這是一個現代版比哈勃最初的觀測要多出幾千倍。注意，這些點不構成一條直線，表明膨脹率隨時間變化。圖片版權：Ned Wright, based on the latest data from Betoule et al. (2014)

NO.3、宇宙是否總是以同樣的速度膨脹？

我們稱它為哈勃常數，但它只是空間上的一個常數。此時此刻宇宙正以比以往更慢的速度膨脹。當我們談論膨脹率時它是一個單位距離：今天大約70公里/秒。(「Mpc」是一個百萬秒，大約是326萬光年) 但是膨脹率取決於宇宙中所有不同物質的密度，包括物質和輻射。隨著宇宙的膨脹，物質和輻射會變得不那麼緻密，隨著物質和輻射密度的下降，膨脹率也會下降。宇宙在過去膨脹得更快，自從大爆炸以來一直在減速。哈勃常數是一個誤稱，它應該被稱為哈勃參數。

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宇宙遙遠的命運提供了一系列的可能性，但如果暗能量確實是一個常數，正如數據所顯示的那樣，它將繼續沿著紅色的曲線。圖片版權：NASA / GSFC

NO.4、宇宙會永遠膨脹？還是會停下來？甚至是坍塌？

對於幾代人來說，這是宇宙學和天體物理學的聖杯問題之一，它只能通過確定宇宙膨脹的速度和所有不同類型(以及數量)的能量來回答。科學家們已經成功地測量了正常物質、輻射、中微子、暗物質和暗能量以及宇宙膨脹率的大小。根據物理定律和過去發生的事情，宇宙將會一直膨脹下去。雖然這不是百分之百的確定性，如果像暗能量在未來的行為與過去和現在的行為不同，我們所有的結論都將被修正。

No.5、是否有星系以比光速更快的速度移動？

從我們的觀點來看中間的空間正在擴大。物質就越快遠離我們，即使膨脹率很小，一個足夠遠的物體最終會越過任何有限速度的閾值，因為膨脹率(每距離的速度)乘以一個足夠大的距離會使你的速度達到你想要的速度。但這在廣義相對論中是可以的！沒有什麼比光速還快的定律只適用於物體在空間中的運動，而不是空間本身的膨脹。在現實中星系本身只是以幾百或幾千千米/秒的速度移動，遠低於光速的30萬公里/秒的速度限制。是宇宙的膨脹導致了這次衰退和紅移，而不是真正的銀河運動。

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在可觀測的宇宙中(黃色圓圈)，大約有2萬億個星系。由於宇宙的膨脹，我們所能觀測到的宇宙邊界的三分之一以上的星系都無法到達，只留下3%的宇宙空間對人類的探索「開放」。

宇宙膨脹是使物質和能量充滿了一個時空的必然結果，它遵循廣義相對論的定律。只要有物質存在引力就會吸引，引力就會贏，所有的物質都能聚集起來，否則引力就會失去，膨脹就會勝出。沒有膨脹的中心，也沒有宇宙膨脹的空間之外的東西，宇宙的結構本身就是在不斷膨脹。最令人抓狂的是即使我們今天以光速離開地球，在可觀測的宇宙中，只有3%的星系是可以到達的;其中97%已經超出我們的掌握。宇宙可能是一個複雜的地方，但至少你知道了五個最常被誤解問題的答案！

作者：Ethan Siegel（天體物理學家）

來自：Forbes science

編譯：卿君側

審校：博科園

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