加州大学圣克鲁兹分校的宇宙学家乔尔·R·普里马克指出,大爆炸涉及的物理过程与日常经验截然不同。因此,人们常常觉得很难理解天文学家在提到“宇宙正在膨胀”时所指的意思。
普里马克说,一个常见的误解是“认为大爆炸是在预先存在的静态空间的某个点发生的爆炸——这与我们现代的时空和引力理论不符。”他解释了为什么将大爆炸想象成空间中的爆炸,就像炸弹爆炸一样,是错误的。
“根据现代宇宙学理论,基于爱因斯坦的广义相对论(我们现代的引力理论),大爆炸不是发生在空间的某个地方;它占据了整个空间。实际上,它创造了空间。遥远的星系不是以高速在空间中移动;相反,就像我们自己的星系一样,它们相对于任何相邻的星系都在相对缓慢地移动。正是空间本身的膨胀,在这些遥远星系中的恒星发出光线和我们的望远镜接收到光线之间,导致光的波长变长(红移)。空间本身是无限弹性的;它不是在向任何东西膨胀。”
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普里马克描述的光的变长或红移现象最早由埃德温·哈勃于1929年观察到。这种现象通常被错误地称为多普勒效应。多普勒红移是由于后退物体发出的光线膨胀造成的。宇宙学红移是由于我们与遥远的星系或类星体之间的空间膨胀(以及光线在空间中移动)造成的。空间在各个地方都在膨胀,因此物体越远,它看起来远离的速度就越快。
然后,普里马克考虑了读者问题的另一个方面:我们宇宙视界之外,即宇宙可见的“边缘”之外,有什么?
“宇宙中的每个观测者都被一个球体所包围,在这个球体之外什么都看不到:观测者的宇宙视界(即明显的退行速度等于光速的点)。由于阻止我们看到宇宙视界之外的是空间膨胀,而不是遥远星系的高速,因此没有理由认为视界之外的星系与视界之内的星系有任何不同。实际上,宇宙背景辐射的极端各向同性或平滑性(它在所有方向上都具有相同的温度,约为十万分之一),以及广义相对论的定律和其他似乎合理的物理假设,意味着宇宙在我们的视界之外的相当远的距离内必须保持基本不变。”
“宇宙暴胀理论是大爆炸理论的最新发展,它表明在更远的距离上,宇宙与局部情况非常不同。尽管我们无法直接验证这一预测,但暴胀的其他预测正在通过新的观测进行测试,特别是那些将由美国宇航局和欧洲航天局计划在未来五到十年内发射的天文卫星进行的观测。有许多书籍讨论了当前关于宇宙膨胀和相关主题的理论。其中,我最喜欢的一本是爱德华·R·哈里森的《宇宙学》(剑桥大学出版社,1981年)。”
圣诺伯特学院的高桥隆正补充了一些评论
“许多科学家不问‘大爆炸之前是什么?’,因为它超出了我们物理理论的范围。通常我们认为大爆炸是时间和空间的开始,因此问之前存在什么或者膨胀的宇宙之外有什么是没有意义的。因为空间本身与宇宙中的物质密切相关,就像物质在大爆炸中被创造出来一样,空间也是如此。没有宇宙正在膨胀的‘空空间’。”