宇宙膨胀可能是我们发现的关于我们起源的最重要事实。如果宇宙没有膨胀，您就不会阅读这篇文章。人类将不会存在。如果宇宙不是从热大爆炸开始，然后膨胀和冷却，那么像生命形式和类地行星这样的寒冷分子物质就不可能出现。宇宙中所有结构的形成，从星系和恒星到行星和大众科学（《大众科学》）的文章，都依赖于膨胀。
四十年前的七月，科学家宣布发现了确凿的证据，证明宇宙是从更热、更稠密的原始状态膨胀而来的。他们发现了大爆炸的冰冷余辉：宇宙微波背景辐射。自这一发现以来，宇宙的膨胀和冷却一直是宇宙学的统一主题，就像达尔文进化论是生物学的统一主题一样。与达尔文进化论一样，宇宙膨胀提供了背景，简单的结构在其中形成并在时间推移中发展成复杂的结构。没有进化和膨胀，现代生物学和宇宙学都毫无意义。
宇宙膨胀在另一个奇特的方面类似于达尔文进化论：大多数科学家认为他们理解它，但很少有人对它的真正含义达成一致。《物种起源》问世一个半世纪后，生物学家仍在争论达尔文主义的机制和含义（但不是现实），而大多数公众仍然在达尔文之前的茫然中挣扎。同样，在其最初发现 75 年后，宇宙膨胀仍然被广泛误解。一位参与宇宙微波背景解释的著名宇宙学家，普林斯顿大学的詹姆斯·皮布尔斯在 1993 年写道：“这幅图景[热大爆炸模型]的完整程度和丰富性并没有得到应有的理解……即使是在那些为思想的流动做出一些最激动人心的贡献的人当中也是如此。”
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著名的物理学家、天文教科书的作者和杰出的科学普及者都对宇宙膨胀发表了不正确、误导性或容易被误解的陈述。由于膨胀是大爆炸模型的基础，这些误解是根本性的。膨胀是一个非常简单的概念，但宇宙膨胀到底意味着什么？它膨胀到哪里？地球也在膨胀吗？更令人困惑的是，宇宙的膨胀现在似乎正在加速，这是一个真正令人费解的过程。
膨胀到底是什么？
当一些熟悉的物体膨胀时，例如扭伤的脚踝、罗马帝国或炸弹，它会通过膨胀到周围的空间来变大。脚踝、帝国和炸弹都有中心和边缘。在边缘之外，有空间可以膨胀进去。宇宙似乎没有边缘、中心或外部，那么它如何膨胀呢？
一个好的类比是想象你是一只生活在充气气球表面的蚂蚁。你的世界是二维的；你唯一知道的方向是左、右、前和后。你不知道“上”和“下”是什么意思。有一天你意识到，你走到蚜虫那里挤奶的时间比以前长了：一天五分钟，第二天六分钟，第三天七分钟。走到其他熟悉地方的时间也在增加。你确信你没有走得更慢，而且蚜虫只是在随机地成群结队地转悠，而不是有系统地爬离你。
这是重要的一点：即使蚜虫没有走开，到蚜虫的距离也在增加。它们只是站在那里，相对于气球的橡胶静止不动，但到它们的距离以及它们之间的距离都在增加。注意到这些事实，你得出结论，你脚下的地面正在膨胀。这非常奇怪，因为你已经走遍了你的世界，但没有找到边缘或“外部”让它膨胀进去。[中断]
我们宇宙的膨胀很像气球的膨胀。到遥远星系的距离正在增加。天文学家随意地说，遥远的星系正在“后退”或“远离”我们，但星系并没有在空间中远离我们。它们不是大爆炸炸弹的碎片。相反，星系与我们之间的空间正在膨胀。单个星系在星系团内随机移动，但星系团基本上是静止的。“静止”一词可以严格定义。微波背景辐射充满了宇宙，并定义了一个普遍的参考系，类似于气球的橡胶，相对于它可以测量运动。
不应过度延伸这个气球类比。从我们在气球外部的观点来看，弯曲的二维橡胶的膨胀只有在嵌入三维空间中才有可能。在第三维空间内，气球有一个中心，并且它的表面在充气时膨胀到周围的空气中。人们可能会得出结论，我们三维空间的膨胀需要第四维空间的存在。但在爱因斯坦的广义相对论中，现代宇宙学的基础，空间是动态的。它可以膨胀、收缩和弯曲，而无需嵌入更高维度的空间中。
从这个意义上说，宇宙是自包含的。它既不需要一个中心来远离膨胀，也不需要外部（无论在哪里）的空空间来膨胀进去。当它膨胀时，它不会从周围环境中占据先前未被占用的空间。一些较新的理论，如弦理论，确实假设了额外的维度，但随着我们三维宇宙的膨胀，它不需要这些额外的维度来扩展进去。
无处不在的宇宙交通堵塞
在我们的宇宙中，就像在气球表面一样，一切都远离其他一切。因此，大爆炸不是在空间中爆炸；它更像是空间的爆炸。它不是在特定位置爆炸并从那里扩散到一些想象中预先存在的虚空中。它同时发生在所有地方。
如果想象一下时间倒流，宇宙的任何给定区域都会缩小，其中的所有星系都会越来越近，直到它们在大爆炸中碰撞在一起，形成宇宙交通堵塞。这种交通堵塞的类比可能暗示了你可以通过收听广播中的交通报告来避免的局部拥堵。但大爆炸是一场不可避免的交通堵塞。这就像地球表面及其所有高速公路都在缩小，而汽车的大小保持不变。最终，汽车将在每条道路上首尾相连。任何无线电广播都无法帮助您绕过那种交通堵塞。拥堵无处不在。
同样，大爆炸发生在所有地方——在您阅读这篇文章的房间里，在就在半人马座阿尔法星左侧的一个点，在所有地方。它不是在我们可以识别为爆炸中心的特定地点爆炸的炸弹。同样，在气球类比中，气球表面上没有一个特殊的地方是膨胀的中心。
无论宇宙有多大，甚至无论宇宙的大小是有限还是无限，大爆炸的普遍性都成立。宇宙学家有时会说宇宙曾经有葡萄柚那么大，但他们的意思是，我们现在可以看到的宇宙部分——我们的可观测宇宙——曾经有葡萄柚那么大。
居住在仙女座星系及更远地方的观察者有他们自己的可观测宇宙，这些宇宙与我们的不同但又重叠。仙女座星系人可以看到我们看不到的星系，仅仅是因为它们离这些星系稍微近一些，反之亦然。他们的可观测宇宙也曾经有葡萄柚那么大。因此，我们可以将早期宇宙想象成一堆在各个方向无限延伸的重叠葡萄柚。相应地，大爆炸“小”的想法具有误导性。空间的整体可能是无限的。将无限空间缩小任意量，它仍然是无限的。[中断]
比光速更快的后退
另一组误解涉及膨胀的定量描述。星系之间距离增加的速度遵循美国天文学家埃德温·哈勃在 1929 年发现的独特模式：星系远离我们的后退速度 (v) 与它到我们的距离 (d) 成正比，即 v = Hd。比例常数 H 被称为哈勃常数，它量化了空间拉伸的速度——不仅在我们周围，而且在宇宙中任何观察者周围。
有些人对某些星系不遵守哈勃定律感到困惑。仙女座星系，我们最近的大型星系邻居，实际上正在向我们移动，而不是远离。出现这种例外是因为哈勃定律仅描述了星系的平均行为。星系也可能有适度的局部运动，因为它们会随意移动并相互引力拉扯——就像银河系和仙女座星系正在做的那样。遥远的星系也有小的局部速度，但从我们的角度来看（在较大的 d 值下），这些随机速度被大的后退速度 (v) 所淹没。因此，对于那些星系，哈勃定律非常精确地成立。
请注意，根据哈勃定律，宇宙并非以单一速度膨胀。一些星系以每秒 1,000 公里的速度远离我们，另一些星系（距离是其两倍的星系）以每秒 2,000 公里的速度远离我们，依此类推。事实上，哈勃定律预测，超过一定距离（称为哈勃距离）的星系后退速度将超过光速。对于哈勃常数的测量值，这个距离约为 140 亿光年。
这种对超光速星系的预测是否意味着哈勃定律是错误的？爱因斯坦的狭义相对论不是说任何物体的速度都不能超过光速吗？这个问题困扰了几代学生。解决方案是狭义相对论仅适用于“正常”速度——在空间中的运动。哈勃定律中的速度是由空间膨胀引起的后退速度，而不是在空间中的运动。这是一种广义相对论效应，不受狭义相对论限制的约束。后退速度大于光速并不违反狭义相对论。仍然是真理，没有任何东西可以超越光束。
拉伸和冷却
宇宙正在膨胀的主要观察结果出现在 1910 年至 1930 年之间。原子发射和吸收特定波长的光，这是在实验室实验中测量的。相同的模式出现在来自遥远星系的光中，只是模式已转移到更长的波长。天文学家说星系的光已经发生红移。解释很简单：随着空间膨胀，光波被拉伸。如果宇宙在波浪传播过程中大小增加一倍，则它们的波长加倍，能量减半。
这个过程可以用温度来描述。物体发射的光子集体具有温度——一定的能量分布，反映了物体的热度。当光子在膨胀的空间中传播时，它们会失去能量，并且它们的温度会降低。通过这种方式，宇宙随着膨胀而冷却，就像潜水罐中的压缩空气在释放并允许膨胀时冷却一样。例如，微波背景辐射目前的温度约为 3 开尔文，而释放辐射的过程发生在约 3,000 开尔文的温度下。自从发射这种辐射以来，宇宙的大小增加了 1,000 倍，因此光子的温度降低了相同的倍数。通过观察遥远星系中的气体，天文学家已经直接测量了过去遥远时期的辐射温度。这些测量证实宇宙一直在随着时间推移而冷却。[中断]
关于红移和速度之间关系的误解比比皆是。膨胀引起的红移经常与更熟悉的由多普勒效应产生的红移相混淆。如果声源正在远离，例如，一辆后退的救护车警报器，则正常的多普勒效应会导致声波变长。相同的原理也适用于光波，如果光源在空间中远离我们移动，光波会变长。
这与来自遥远星系的光发生的情况相似，但不完全相同。宇宙学红移不是正常的多普勒频移。天文学家经常这样称呼它，这样做对他们的学生造成了严重的损害。多普勒红移和宇宙学红移受两个不同的公式支配。第一个来自狭义相对论，它没有考虑空间的膨胀，第二个来自广义相对论，它考虑了空间的膨胀。对于附近的星系，这两个公式几乎相同，但对于遥远的星系，这两个公式会发散。
根据通常的多普勒公式，空间速度接近光速的物体具有接近无穷大的红移。它们的波长变得太长而无法观察。如果星系是这种情况，那么天空中最遥远的可见物体将以略低于光速的速度后退。但是宇宙学红移公式得出了不同的结论。在当前的宇宙学标准模型中，红移约为 1.5 的星系——即，其光的波长比实验室参考值长 150%——正在以光速后退。天文学家已经观察到大约 1,000 个红移大于 1.5 的星系。也就是说，他们已经观察到大约 1,000 个以超过光速远离我们的物体。同样，我们正在以超过光速的速度远离这些星系。宇宙微波背景辐射传播得更远，红移约为 1,000。当早期宇宙的热等离子体发出我们现在看到的辐射时，它正以大约 50 倍光速的速度远离我们的位置。
为了保持静止而奔跑
看到超光速星系的想法听起来可能很神秘，但这是由于膨胀率的变化而成为可能的。想象一下，一束光束比 140 亿光年的哈勃距离更远，并试图朝我们的方向传播。它相对于其局部空间正以光速向我们移动，但其局部空间正以超过光速的速度远离我们。尽管光束正以最大可能速度向我们传播，但它无法跟上空间的拉伸速度。这有点像一个孩子试图在自动人行道上逆向奔跑。哈勃距离处的光子就像红皇后和爱丽丝，他们尽可能快地奔跑只是为了保持在同一个位置。
人们可能会得出结论，哈勃距离以外的光永远无法到达我们，并且其来源将永远无法检测到。但是哈勃距离不是固定的，因为它所依赖的哈勃常数会随时间变化。特别是，该常数与两个星系之间距离增加的速率与该距离的比值成正比。（任何两个星系都可以用于此计算。）在符合观测数据的宇宙模型中，分母的增加速度快于分子，因此哈勃常数会减小。这样，哈勃距离就会变大。随着哈勃距离变大，最初刚好在哈勃距离之外并远离我们的光可以进入哈勃距离之内。然后，光子会发现自己处于一个后退速度低于光速的空间区域。此后，它们可以接近我们。
然而，它们来自的星系可能会继续超光速后退。因此，我们可以观察到来自一直并将永远以超光速后退的星系的光。换句话说，哈勃距离不是固定的，也不标志着可观测宇宙的边缘。[中断]
是什么标志着可观测空间的边缘？在这里，再次出现了混乱。如果空间没有膨胀，那么我们现在可以看到的最遥远的物体将距离我们约 140 亿光年，这是自大爆炸以来光可能传播的距离。但是由于宇宙正在膨胀，光子穿过的空间在其航行过程中会在其身后膨胀。因此，到我们能看到的最远物体的当前距离大约是原来的三倍，即 460 亿光年。
最近发现宇宙膨胀速度正在加速，这使得事情变得更加有趣。以前，宇宙学家认为我们生活在一个减速宇宙中，并且会有越来越多的星系进入视野。然而，在加速宇宙中，我们被一个边界包围，超出这个边界发生的事件我们将永远看不到——一个宇宙事件视界。如果来自超光速后退星系的光要到达我们，哈勃距离就必须增加，但在加速宇宙中，哈勃距离停止增加。遥远的事件可能会发出瞄准我们方向的光束，但这种光被膨胀的加速困在哈勃距离之外。
因此，加速宇宙类似于黑洞，因为它具有事件视界，一个我们无法看到的边缘之外的边缘。我们宇宙事件视界的当前距离为 160 亿光年，远在我们可观测范围之内。从现在超出事件视界的星系发出的光将永远无法到达我们；当前对应于 160 亿光年的距离将膨胀得太快。我们仍然能够看到在这些星系越过视界之前发生的事件，但随后的事件将永远超出我们的视野。
布鲁克林在膨胀吗？
在电影《安妮·霍尔》中，年轻的伍迪·艾伦扮演的电影角色向他的医生和母亲解释了他为什么不能做作业。“宇宙在膨胀。宇宙就是一切，如果它在膨胀，总有一天它会破裂，那将是一切的终结！”但他的母亲更了解：“你在这里，在布鲁克林。布鲁克林没有膨胀！”
他的母亲是对的。布鲁克林没有膨胀。人们常常认为，随着空间的膨胀，其中的一切也会膨胀。但事实并非如此。膨胀本身——即，既不加速也不减速的匀速膨胀——不会产生力。光子波长随着宇宙膨胀而膨胀，因为与原子和城市不同，光子不是相干物体，其大小是由力之间的妥协设定的。膨胀速率的变化确实为混合增加了新的力，但即使是这种新的力也不会使物体膨胀或收缩。
例如，如果引力变得更强，您的脊髓将压缩，直到您椎骨中的电子达到新的平衡，稍微靠近一点。您会变得矮一点，但不会继续缩小。同样，如果我们生活在一个受引力吸引力支配的宇宙中，就像大多数宇宙学家在几年前认为的那样，膨胀会减速，对宇宙中的物体产生轻微的挤压，使它们达到更小的平衡尺寸。这样做之后，它们不会继续缩小。
事实上，在我们的宇宙中，膨胀正在加速，这会对物体施加轻微的向外力。因此，束缚物体的尺寸略大于它们在非加速宇宙中的尺寸，因为力之间的平衡是在稍微更大的尺寸下达到的。在地球表面，远离行星中心的向外加速度等于正常向内引力加速度的极小一部分 (10−30)。如果这种加速度是恒定的，它不会使地球膨胀；相反，行星只是稳定在静态平衡尺寸，略大于它将达到的尺寸。
如果加速度不是恒定的，正如一些宇宙学家推测的那样，这种推理会发生变化。如果加速度本身增加，它最终可能会变得足够强大，以撕裂所有结构，导致“大撕裂”。但是，这种撕裂的发生不是因为膨胀或加速度本身，而是因为加速的加速度。
大爆炸模型基于对膨胀、宇宙微波背景、宇宙的化学成分和物质团块的观测。像所有科学思想一样，该模型有一天可能会被取代。但它比我们拥有的任何其他模型都更符合当前的数据。随着新的精确测量使宇宙学家能够更好地理解膨胀和加速，他们可以提出关于宇宙最早时期和最大尺度的更基本的问题。是什么导致了膨胀？许多宇宙学家将其归因于称为暴胀的过程，一种加速膨胀的类型。但这只能是一个部分答案，因为似乎为了开始暴胀，宇宙已经必须在膨胀。那么最大的尺度呢，超出我们所能看到的范围呢？宇宙的不同部分是否以不同的量膨胀，以至于我们的宇宙是更大的多元宇宙的单个暴胀气泡？没有人知道。尽管仍然存在许多问题，但越来越精确的观测表明，宇宙将永远膨胀下去。我们希望，关于膨胀的困惑会缩小。