【博科園-科學(xué)科普】當(dāng)我們觀察遙遠(yuǎn)的宇宙時(shí)會(huì)繼續(xù)看到所有的星系，在各個(gè)方向數(shù)百萬(wàn)光年，甚至數(shù)十億光年。據(jù)估計(jì)有兩萬(wàn)億個(gè)星系可能會(huì)被人類觀察到，其中的總和比我們大多數(shù)人想象的更壯觀更壯美。
超遙遠(yuǎn)的宇宙視野顯示星系以極快的速度離開(kāi)我們。在這段距離內(nèi)星系看起來(lái)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(quán)：NASA, ESA, R. Windhorst and H. Yan
其中一個(gè)最令人困惑的事實(shí)是，在我們觀察過(guò)的所有星系中，它們都服從相同的規(guī)則：離我們?cè)竭h(yuǎn)，它們就越快的遠(yuǎn)離我們。這一發(fā)現(xiàn)是由埃德溫·哈勃和他的合作者在20世紀(jì)20年代發(fā)現(xiàn)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么呢？科學(xué)已知道了，現(xiàn)在你也應(yīng)該知道了！
我們看得越遠(yuǎn)，就越回到我們所看到的不那么進(jìn)化的宇宙。但只有廣義相對(duì)論適用并統(tǒng)治一個(gè)膨脹的宇宙。圖片版權(quán)：Wikipedia user Pablo Carlos Budassi
No.1、宇宙膨脹成什么?
這是一個(gè)聽(tīng)起來(lái)很合理的問(wèn)題，因?yàn)槠渌袛U(kuò)展都是由物質(zhì)組成的并存在于宇宙的空間和時(shí)間內(nèi)。但宇宙本身就是空間和時(shí)間也包含了所有的物質(zhì)和能量。當(dāng)我們說(shuō)“宇宙在膨脹”的時(shí)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(gè)的星系和星系團(tuán)相互遠(yuǎn)離。我所見(jiàn)過(guò)的最好的想象就是把一個(gè)面團(tuán)和葡萄干放在一起，在烤箱里烤。
“葡萄干面包”模型的膨脹宇宙，相對(duì)距離隨著空間(面團(tuán))的膨脹而增加。圖片版權(quán)：NASA / WMAP Science Team
面團(tuán)是空間的結(jié)構(gòu)，葡萄干是被束縛的結(jié)構(gòu)(比如星系或星系群)，從任何葡萄干的角度來(lái)看，所有其他的葡萄干都在遠(yuǎn)離它，更遙遠(yuǎn)的葡萄干更快地離開(kāi)。只有在宇宙的情況下沒(méi)有烤箱，在面團(tuán)外面沒(méi)有空氣，只有面團(tuán)(空間)和葡萄干(物質(zhì))。
導(dǎo)致紅移不僅僅是星系正在遠(yuǎn)離我們，更確切地說(shuō)我們和星系之間的空間，將光從那個(gè)遙遠(yuǎn)的點(diǎn)轉(zhuǎn)移到我們的眼睛上。圖片版權(quán)：Larry McNish of RASC Calgary Center
NO.2、我們?cè)趺粗浪桥蛎浀目臻g的結(jié)構(gòu)，不只是星系以不同的速度運(yùn)動(dòng)？
如果你看到物體向四面八方移動(dòng)，可能是因?yàn)槟愫臀矬w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(yuǎn)，今天移動(dòng)得更快，因?yàn)樗麄冊(cè)诒ㄖ蝎@得了更多的能量。如果后一件事是真的，那么將有兩件證據(jù)可以證明：
1、因?yàn)殡S著時(shí)間的推移會(huì)更容易地在太空中擴(kuò)散，因此在遠(yuǎn)距離和高速下星系將會(huì)減少
2、紅移/距離關(guān)系將在很大距離上服從一個(gè)非常特殊的形式，這與擴(kuò)大的空間結(jié)構(gòu)是不同的
對(duì)紅移/距離(虛線)和廣義相對(duì)論(固體)的解釋在膨脹的宇宙中距離的解釋。最后，只有GR的預(yù)測(cè)與我們觀察到的相符。圖片版權(quán)：Wikimedia Commons user Redshiftimprove
當(dāng)我們看很遠(yuǎn)的距離時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)，在遙遠(yuǎn)的宇宙中星系的密度比附近的要大。這與空間擴(kuò)張的圖像是一致的，因?yàn)榭催h(yuǎn)的地方和看過(guò)去的情況一樣，在過(guò)去沒(méi)有那么多的擴(kuò)張?？茖W(xué)家還發(fā)現(xiàn)遙遠(yuǎn)的星系有一個(gè)與空間擴(kuò)張的結(jié)構(gòu)一致的紅移距離，而且與星系之間的距離非常遠(yuǎn)，而不是僅僅從我們那里迅速移動(dòng)。這是一個(gè)科學(xué)可以用兩種截然不同的方式回答的問(wèn)題，這兩個(gè)答案都支持宇宙的膨脹。
一個(gè)明顯的膨脹率(y軸)與距離(x軸)的圖與一個(gè)在過(guò)去擴(kuò)展得更快的宇宙是一致的，但現(xiàn)在仍在膨脹。這是一個(gè)現(xiàn)代版比哈勃最初的觀測(cè)要多出幾千倍。注意，這些點(diǎn)不構(gòu)成一條直線，表明膨脹率隨時(shí)間變化。圖片版權(quán)：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(shù)，但它只是空間上的一個(gè)常數(shù)。此時(shí)此刻宇宙正以比以往更慢的速度膨脹。當(dāng)我們談?wù)撆蛎浡蕰r(shí)它是一個(gè)單位距離：今天大約70公里/秒。(“Mpc”是一個(gè)百萬(wàn)秒，大約是326萬(wàn)光年) 但是膨脹率取決于宇宙中所有不同物質(zhì)的密度，包括物質(zhì)和輻射。隨著宇宙的膨脹，物質(zhì)和輻射會(huì)變得不那么致密，隨著物質(zhì)和輻射密度的下降，膨脹率也會(huì)下降。宇宙在過(guò)去膨脹得更快，自從大爆炸以來(lái)一直在減速。哈勃常數(shù)是一個(gè)誤稱，它應(yīng)該被稱為哈勃參數(shù)。
宇宙遙遠(yuǎn)的命運(yùn)提供了一系列的可能性，但如果暗能量確實(shí)是一個(gè)常數(shù)，正如數(shù)據(jù)所顯示的那樣，它將繼續(xù)沿著紅色的曲線。圖片版權(quán)：NASA / GSFC
NO.4、宇宙會(huì)永遠(yuǎn)膨脹？還是會(huì)停下來(lái)？甚至是坍塌？
對(duì)于幾代人來(lái)說(shuō)，這是宇宙學(xué)和天體物理學(xué)的圣杯問(wèn)題之一，它只能通過(guò)確定宇宙膨脹的速度和所有不同類型(以及數(shù)量)的能量來(lái)回答?？茖W(xué)家們已經(jīng)成功地測(cè)量了正常物質(zhì)、輻射、中微子、暗物質(zhì)和暗能量以及宇宙膨脹率的大小。根據(jù)物理定律和過(guò)去發(fā)生的事情，宇宙將會(huì)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(lái)的行為與過(guò)去和現(xiàn)在的行為不同，我們所有的結(jié)論都將被修正。
No.5、是否有星系以比光速更快的速度移動(dòng)？
從我們的觀點(diǎn)來(lái)看中間的空間正在擴(kuò)大。物質(zhì)就越快遠(yuǎn)離我們，即使膨脹率很小，一個(gè)足夠遠(yuǎn)的物體最終會(huì)越過(guò)任何有限速度的閾值，因?yàn)榕蛎浡?每距離的速度)乘以一個(gè)足夠大的距離會(huì)使你的速度達(dá)到你想要的速度。但這在廣義相對(duì)論中是可以的！沒(méi)有什么比光速還快的定律只適用于物體在空間中的運(yùn)動(dòng)，而不是空間本身的膨脹。在現(xiàn)實(shí)中星系本身只是以幾百或幾千千米/秒的速度移動(dòng)，遠(yuǎn)低于光速的30萬(wàn)公里/秒的速度限制。是宇宙的膨脹導(dǎo)致了這次衰退和紅移，而不是真正的銀河運(yùn)動(dòng)。
在可觀測(cè)的宇宙中(黃色圓圈)，大約有2萬(wàn)億個(gè)星系。由于宇宙的膨脹，我們所能觀測(cè)到的宇宙邊界的三分之一以上的星系都無(wú)法到達(dá)，只留下3%的宇宙空間對(duì)人類的探索“開(kāi)放”。
宇宙膨脹是使物質(zhì)和能量充滿了一個(gè)時(shí)空的必然結(jié)果，它遵循廣義相對(duì)論的定律。只要有物質(zhì)存在引力就會(huì)吸引，引力就會(huì)贏，所有的物質(zhì)都能聚集起來(lái)，否則引力就會(huì)失去，膨脹就會(huì)勝出。沒(méi)有膨脹的中心，也沒(méi)有宇宙膨脹的空間之外的東西，宇宙的結(jié)構(gòu)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(kāi)地球，在可觀測(cè)的宇宙中，只有3%的星系是可以到達(dá)的;其中97%已經(jīng)超出我們的掌握。宇宙可能是一個(gè)復(fù)雜的地方，但至少你知道了五個(gè)最常被誤解問(wèn)題的答案！
