• 圖注：大爆炸之后，宇宙幾乎完全一致，充滿了物質(zhì)、能量和輻射，處于迅速膨脹的狀態(tài)。隨著時間的推移，宇宙不僅形成元素、原子、團塊和團簇，從而形成恒星和星系，而且在整個時間內(nèi)膨脹和冷卻。即使在今天，宇宙仍在繼續(xù)膨脹，隨著時間的推移，它以每年6.5光年的速度向各個方向增長。

如果我們實驗確定宇宙中有一個常數(shù)，那就是真空中的光速c。不管光在哪里，何時，或朝哪個方向傳播，它以每秒299792458米的速度，每年傳播1光年（約9萬億公里）。大爆炸已經(jīng)有138億年了，這可能會讓你想到我們能看到的最遠的天體是138億光年遠的。但不僅如此，我們能看到的最遠距離是138億光年距離的三倍多：461億光年。

• 圖注：我們經(jīng)常將空間視為一個三維網(wǎng)格，即使在考慮時空概念時，這是一個幀相關(guān)的過度簡化。實際上，時空是由物質(zhì)和能量的存在而彎曲的，距離不是固定的，而是可以隨著宇宙的膨脹或收縮而演化。

如果宇宙的年齡是138億年，我們怎么能探測到任何距離我們超過138億光年的信號呢？

我們可以從想象一個宇宙開始，在那里我們能看到的最遙遠的物體實際上是138億光年遠。要做到這一點，必須有一個宇宙：

• 天體保持不變，隨著時間的推移彼此保持固定的距離，
• 空間結(jié)構(gòu)保持靜止，不隨時間擴張也不收縮，
• 光在任何兩點之間的直線上穿過宇宙，不受物質(zhì)、能量、空間曲率或其他任何因素的影響。

如果你想象你的宇宙是一個三維的網(wǎng)格，有一個X，Y，Z軸，空間本身是固定不變的，這是可能的。在遙遠的過去，天體會發(fā)出光，光會穿過宇宙，直到它到達我們的眼睛，我們會在“數(shù)年”之后收到與光所經(jīng)過的“光年”數(shù)相同的“光年”。

• 圖注：在一個靜止不變的宇宙中，所有天體都會向四面八方發(fā)射光，并且光會以光速在宇宙中傳播。經(jīng)過138億年的時間之后，光可以走過的最大距離將是138億光年。

不幸的是，這三個假設(shè)都是錯誤的。首先，天體之間不會保持固定的距離，而是可以自由地在它們所占據(jù)的空間中移動。宇宙中所有的大量和能量天體相互引力作用使它們移動并加速，聚集在一起，如星系和星系團，而其他區(qū)域則變得沒有物質(zhì)。

這些力會變得極其復(fù)雜，從星系中踢出恒星和氣體，產(chǎn)生超快的超高速物體，并產(chǎn)生各種加速度。我們所感知到的光將根據(jù)我們與觀察對象的相對速度而紅移或藍移，光的傳播時間不一定與任何兩個對象之間的實際當(dāng)前距離相同。

• 圖注：相對于觀察者移動的發(fā)光物體，其發(fā)出的光會根據(jù)觀察者的位置而移動。左邊的人會看到光源遠離光源，因此光線會紅移；右邊的人會看到光源朝著光源移動時，光源會藍移，或者移到更高的頻率。

這最后一點非常重要，因為即使在空間是靜止的、固定的、不變的宇宙中，天體仍然可以穿過它。我們甚至可以想象一個極端的例子：一個天體位于距離我們138億光年的約138億年前，但以非常接近光速的速度離開我們。

那光仍將以光速向我們傳播，以138億年的時間跨度穿越138億光年。但當(dāng)這束光到達今天時，這個物體的距離可能是現(xiàn)在的兩倍：如果它以接近光速的速度任意離開我們，距離我們的距離可能高達276億光年。即使空間的結(jié)構(gòu)沒有隨著時間的推移而改變，但我們今天可以看到的許多物體可能離我們138億光年遠。

唯一的問題是，它們的光最多可以傳播138億光年；天體發(fā)出這種光后如何移動無關(guān)緊要。

• 圖注：在真空中，無論觀察者的速度如何，光總是以與光速相同的速度運動。如果一個遙遠的物體發(fā)出光，然后迅速離開我們，它今天的距離可能是光傳播距離的兩倍。

但空間結(jié)構(gòu)也不是恒定的。這是愛因斯坦的重大啟示，使他形成了廣義相對論：空間和時間都不是靜止的或固定的，而是形成了一種稱為時空的結(jié)構(gòu)，其性質(zhì)取決于宇宙中存在的物質(zhì)和能量。

如果你要取一個平均充滿某種形式物質(zhì)或能量的宇宙，不管它是正常物質(zhì)、暗物質(zhì)、光子、中微子、引力波、黑洞、暗能量、宇宙弦，或者兩者的任何結(jié)合——你會發(fā)現(xiàn)空間結(jié)構(gòu)本身是不穩(wěn)定的：它不能保持靜止不變。相反，它必須要么膨脹要么收縮；天體之間的巨大宇宙距離必須隨著時間而改變。

• 圖注：Vesto Slipher 在 1917 年首次指出，我們觀察到的一些天體顯示了特定原子、離子或分子吸收或發(fā)射的光譜特征，但系統(tǒng)地向光譜的紅色或藍色端移動。當(dāng)與哈勃望遠鏡的距離測量相結(jié)合時，這些數(shù)據(jù)產(chǎn)生了宇宙膨脹的最初想法：星系越遠，其光的紅移就越大。

從1910年代和1920年代開始，觀察開始證實了這一點。我們發(fā)現(xiàn)天空中的螺旋狀和橢圓形星云是我們自己以外的星系，我們測量了它們的距離；我們發(fā)現(xiàn)它們越遠，它們的光就越紅移。

在愛因斯坦廣義相對論的背景下，這得出了一個肯定的結(jié)論：宇宙正在膨脹。

這比人們通常意識到的還要深刻?？臻g結(jié)構(gòu)本身并不是隨時間而保持不變，而是不斷膨脹，推動著彼此之間沒有引力束縛在一起的物體。就好像單個星系和星系團是葡萄干嵌入在一個看不見的（類似空間的）面團的海洋中一樣，當(dāng)面團發(fā)酵時，葡萄干就被推開了。這些對象之間的空間會擴大，從而導(dǎo)致單個對象看起來彼此之間的距離變小。

• 圖注：這個簡化的動畫顯示了在不斷膨脹的宇宙中，光是如何紅移的，以及未束縛對象之間的距離是如何隨時間變化的。注意，物體比光在它們之間傳播所需的時間更近，光的紅移是由于空間的膨脹，這兩個星系比它們之間交換的光子所走的光傳播路徑遠得多。

這對我們觀察背后的意義有著巨大的影響。當(dāng)我們觀察一個遙遠的物體時，我們不僅僅看到它發(fā)出的光，也不僅僅看到光被光源和觀察者的相對速度所移動。相反，我們看到了膨脹的宇宙是如何從膨脹空間的累積效應(yīng)中影響到光的，這些累積效應(yīng)發(fā)生在它的旅程中的每一點上。

如果我們想探索我們能看到的距離的絕對極限，我們會尋找盡可能接近138億年前發(fā)出的光，這些光今天才剛剛到達我們的眼睛。我們會根據(jù)我們現(xiàn)在看到的光來計算：

• 光照了多少時間，
• 從那時到現(xiàn)在宇宙是如何膨脹的，宇宙中存在的所有不同形式的能量必須解釋它，
• 考慮到我們對膨脹的宇宙所知的一切，這個天體今天一定離我們有多遠。

• 圖注：此簡化動畫顯示光紅移如何以及未束縛對象之間的距離在膨脹的宇宙中隨時間而變化。請注意，物體的起始距離比光在它們之間移動所需的時間要近，由于空間膨脹而導(dǎo)致的光紅移，并且兩個星系的間隔遠于它們之間交換的光子所走的光旅行路徑。

在這一點上，我們不僅為少數(shù)天體做到了這一點，而且還為數(shù)以百萬計的天體做到了這一點，從我們自己的宇宙后院到300多億光年之外的物體。

你問，這些天體怎么可能在300億光年之外？

這是因為任何兩點之間的空間——比如我們和我們觀察的天體——隨著時間的推移而擴大。我們所見過的最遠的天體已經(jīng)有134億年的光程向我們移動；我們現(xiàn)在看到的是大爆炸后的4.07億年，也就是宇宙現(xiàn)在年齡的3%。我們觀察到的光被紅移了大約12倍，因為觀察到的光的波長比發(fā)出時長1210%。在那134億年的旅程之后，這個天體現(xiàn)在距離地球約321億光年，與不斷膨脹的宇宙一致。

• 圖注：已知宇宙中迄今發(fā)現(xiàn)的最遙遠的星系GN-z11，其光來自134億年前：當(dāng)時宇宙只有其當(dāng)前年齡的3%：4.07億年?？紤]到膨脹的宇宙，從這個星系到我們的距離是一個令人難以置信的321億光年。

基于我們所做的全套觀測，不僅測量物體的紅移和距離，還測量宇宙大爆炸（宇宙微波背景）的余輝，星系的聚集和宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的特征，宇宙、引力透鏡、星系群碰撞、任何恒星形成前產(chǎn)生的光元素的豐度等等——我們可以確定宇宙是由什么構(gòu)成的，以及比例。

• 圖注：距離/紅移關(guān)系，包括從它們的Ia型超新星上看到的最遠的天體。數(shù)據(jù)強烈支持加速的宇宙。注意這些線彼此不同，因為它們對應(yīng)于由不同成分組成的宇宙。

今天，我們最好的估計是，我們生活在一個由以下組成的宇宙中：

• 0.01%的光子輻射，
• 0.1%的中微子，質(zhì)量很小但不是零，
• 4.9%的正常物質(zhì)，由質(zhì)子、中子和電子組成，
• 27%的暗物質(zhì)，
• 以及68%的暗能量。

這符合我們所有的數(shù)據(jù)，并導(dǎo)致了一個獨特的膨脹歷史，可以追溯到大爆炸的那一刻。從中，我們可以提取出可見宇宙大小的一個獨特值：各向461億光年。

• 圖注：我們可見宇宙的大小（黃色），以及我們能達到的值（品紅）?？梢娪钪娴臉O限是461億光年，因為這是一個發(fā)出光的物體在離開我們138億年之后，今天才到達我們的極限。

如果我們在一個有138億年歷史的宇宙中所能看到的極限真的是138億光年，那將是一個非同尋常的證據(jù)，證明廣義相對論都是錯誤的，物體不能隨時間從一個位置移動到宇宙中更遙遠的位置。大量的觀測證據(jù)表明，物體確實在運動，廣義相對論是正確的，宇宙正在膨脹，并由暗物質(zhì)和暗能量的混合所支配。

當(dāng)你把所有已知的東西都考慮進去時，我們發(fā)現(xiàn)一個宇宙，它始于大約138億年前的一次大爆炸，此后一直在膨脹，其最遠的光可以從距離我們461億光年遠的物體射向我們。在最遙遠的宇宙邊界，我們與我們所觀察到的遙遠的、未受束縛的空間之間的空間，繼續(xù)以每年6.5光年的速度膨脹。隨著時間的推移，宇宙的遙遠之處天體將從我們的視眼中消失。