宇宙膨脹速度可以超光速？5個問題讓你了解宇宙膨脹！

作者：Ethan Siegel

翻譯：山寺小沙彌

審校：yangfz

宇宙中遙遠處的星系以極高的速度遠離我們，在這個距離處，星系的數量非常多，規模較小，演化程度不高，與我們附近的星系相比，出現了巨大的紅移。 來源： NASA, ESA, R. Windhorst and H. Yan

當我們望向無邊無際的宇宙時，我們可以在數百萬甚至是數十億光年範圍內找到各種各樣的星系。人們可能能觀察到兩萬億個星系，宇宙中星系的數量、規模遠遠超乎人類的想像。然而，最令人費解的一個事實是，我們觀察到的所有星系，都遵循一個相同的規則：離地球越遠的星系，以更快的速度遠離地球，使兩者的距離越變越遠。這個發現是由哈勃和他的合作者於20世紀20年代發現的，這個發現使我們能夠繪製宇宙膨脹的藍圖。宇宙膨脹是什麼呢？科學家們也許都不知道，但是讀完這篇文章之後你也會知道！

我們看的越遠，說明我們看到了更遠的過去。當只有當廣義相對論適用於宇宙膨脹時才成立。

來源：Wikipedia user Pablo Carlos Budassi

1．宇宙能膨脹成什麼呢？這個問題問得似乎很合理，因為所有膨脹的區域都是由宇宙中的物質構成的，並且存在於宇宙的時間和空間里。但宇宙本身就是時間和空間，它包含了所有的物質和能量。當我們說「宇宙在膨脹」時，我們的意思是宇宙空間在膨脹，這就使得我們看到星系和星系群相互之間慢慢遠離。我有一個生動的例子，可以用來描述宇宙膨脹：把葡萄乾放進生麵糰里，然後放進烤箱里烤，隨著麵糰膨脹，葡萄乾會慢慢的散開，分布於整個麵包的各個地方。

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宇宙膨脹的「葡萄乾麵包」模型，葡萄乾的相對距離隨著空間（麵糰）的膨脹而增加。

來源：NASA / WMAP Science Team

這時候麵糰相當於宇宙空間，葡萄乾相當於星系和星系群，從任意一粒葡萄乾的角度出發，其他的葡萄乾都在遠離它，而且離它越遠的，遠離的速度越快。當然，在現實宇宙的情況里，那裡沒有烤箱，也沒有麵糰外面的空氣，只有麵糰（空間）和葡萄乾（物質）。

並不是簡單的星系移動造成了紅移，而是我們與星系之間的空間在膨脹導致了紅移。

來源：Larry McNish of RASC Calgary Center

2.我們怎麼會知道是宇宙的空間膨脹呢？為什麼不可能是不同的星系以不同的速度運動呢？如果你看到物體在各個方向遠離你，這可能是因為你和這些物體之間的空間正在擴大，這是一種可能性。還有一種可能：你身處爆炸中心附近，周圍的物體離你越來越遠，因為它們從爆炸中獲得了能量。如果後一種可能性是真的，那麼此時應有兩個明顯的證據：

（1）遠處和運動速度高的星系應該會比較少，因為隨著時間的推移，這些星系會在空間中更容易擴散開。

（2）距離遠的地方的紅移應該遵循某種特殊的形式，而這種特殊的形式和空間膨脹造成的紅移有很大的差別。

只有運動引起的紅移（虛線）和廣義相對論預測的空間膨脹引起的紅移之間的對比（實線）。廣義相對論的預測符合我們的觀測結果。

來源：Wikimedia Commons user Redshiftimprove

當我們觀察距離我們很遠的地方的時候，我們發現在遙遠的宇宙中，星系的密度比我們周圍的星系密度大。這與宇宙空間膨脹的圖像十分吻合，因為當我們把目光放到遠處時，也就意味著看到了過去（光的傳播需要時間），由於宇宙一直在膨脹，所以那個地方的星系密度自然會比較大。我們還發現，遙遠星系的紅移和宇宙膨脹引起的紅移的形式一致，與我們上文的第二種可能中提到的所謂星系移動引起的紅移大相徑庭。因此，這個問題可以從上述兩個方面解釋，而這兩種解釋都支持了第一種可能性。

距離與膨脹速度的關係。過去的膨脹速度較高，現在宇宙仍然在膨脹著。它們之間不是線性關係，意味著膨脹速度會隨著時間變化。

來源：Ned Wright, based on the latest data from Betoule et al. (2014)

3.宇宙總是以相同的速度膨脹嗎？我們將其稱之為哈勃常數，它只是宇宙空間的常數，但如果考慮了時間，它就不算一個真正意義上的常數。此時此刻，宇宙膨脹的速度比以往任何時候都要慢。當我們提到「膨脹率」的時候，指的是速度與距離存在一定的關係：現如今，這個速度約為70公里/秒/ Mpc（「Mpc」指的是百萬秒差距，長度單位，約為326萬光年）。膨脹率取決於宇宙中所有不同事物的密度，包括物質和輻射。隨著宇宙的膨脹，其內部的物質和輻射的密度會慢慢減小，隨著物質和輻射密度的減小，膨脹速度也在下降。宇宙在過去膨脹的更快，自熱大爆炸後，宇宙膨脹才漸漸放慢了腳步。哈勃常數其實不是常數，將其成為哈勃參數可能更加合適。

宇宙的未來有很多的可能性，如果暗能量真的如數據所顯示的那樣，是一個常數的話，未來宇宙的發展將如圖中紅線所示。

來源：NASA / GSFC

4．宇宙會一直膨脹下去嗎？還是有一天它會停止膨脹，甚至是坍縮？對於幾代人來說，這是宇宙學和天體物理學的神聖問題之一, 它只能通過確定宇宙的膨脹速度以及它所呈現的所有不同類型 (和數量) 的能量來回答。我們現在已經成功地測量出了宇宙中有多少正常物質，輻射，中微子，暗物質和暗能量，以及宇宙的膨脹率。結合物理定律和過去發生的事來看，宇宙可能會一直膨脹下去。這可能不是100%確定的，如果暗能量在未來的行為與過去和現在不同的話，那麼我們所有的結論都將被改寫。

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紅移，光線在膨脹的宇宙中是如何傳播的。

5.星系的移動速度是否比光速還要快，不是說物體的運動速度不可能超過光速嗎？從我們的角度來看，我們和空間中任意一點的空間都在膨脹，離我們越遠的星系，似乎以更快的速度遠離我們。即使膨脹率很小，只要乘以足夠大的距離，遠離我們的物體的速度也會超過光速，速度之大遠遠超乎我們的想像。這樣的情況並不違背相對論，物體的運動速度不能超過光速只適用於物體在空間中運動，它不能約束空間的膨脹速度。實際上，星系本身的移動速度只有數百或者數千km/s，遠低於光速的3.0x108km/s。星系移動只是表面現象，宇宙空間膨脹才是根源所在。

在可觀測的宇宙內（圖中黃圈內），有大約2萬億個星系。由於宇宙的膨脹，我們只能探索

其中3%的星系。

來源：Wikimedia Commons users Azcolvin 429 and Fre?de?ric MICHEL / E. Siegel

根據廣義相對論，宇宙中存在著物質和能量是宇宙膨脹的必然結果。只要有物質，就有引力，要麼引力勝過膨脹，一切就會坍縮在一起；要麼膨脹勝過引力，宇宙就會膨脹。宇宙沒有以某點為中心向外膨脹，宇宙的膨脹也不會讓宇宙膨脹到所謂的「宇宙之外」，宇宙中任何一個地方都在無時無刻地膨脹著。最令人意想不到的是，即使我們以光速飛離地球，也只能到達我們可觀測宇宙中3%的星系，另外的97%已經超出了我們的掌控範圍。宇宙很複雜，但至少你已經知道這5個問題的答案，而這幾個問題，經常會被誤解。

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