先秦典籍《尸子》中有云：“四方上下曰宇，往古來(lái)今曰宙。”寥寥數(shù)語(yǔ)精辟地闡釋了“宇宙”一詞的含義：它是所有時(shí)間與空間及其內(nèi)涵的總和。隨著現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展，人們對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)有了長(zhǎng)足的進(jìn)展。然而，時(shí)間、空間依然是宇宙學(xué)研究中亙古不變的核心議題。

宇宙學(xué)家告訴我們：宇宙的年齡是138億年，可觀測(cè)宇宙的半徑是465億光年（光年是光在真空中一年所走的距離）。根據(jù)相對(duì)論理論，光速是宇宙中物質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度的上限，也是宇宙中信息傳遞速度的上限。那么，在宇宙演化的整個(gè)歷史內(nèi)，光所能走過(guò)的最遠(yuǎn)距離也不過(guò)138億光年，為何可觀測(cè)宇宙的半徑卻達(dá)到了驚人的465億光年呢？

可觀測(cè)宇宙（圖片來(lái)源：維基百科）

是宇宙學(xué)家說(shuō)錯(cuò)了嗎？或是相對(duì)論的理論錯(cuò)了嗎？

都不是。

原因就在于，我們的宇宙空間并非不變的，而是一直在膨脹！

Part.1

哈勃定律：宇宙膨脹的“偵探線索”

20世紀(jì)20年代末，美國(guó)天文學(xué)家埃德溫·哈勃有一個(gè)驚人發(fā)現(xiàn)：遙遠(yuǎn)的星系都在遠(yuǎn)離我們而去。這種星系逐漸遠(yuǎn)離我們的運(yùn)動(dòng)，被稱之為星系的“退行”運(yùn)動(dòng)。而且，距離我們?cè)竭h(yuǎn)的星系，其退行的速率越大，退行速率與星系離我們的距離成正比，其比例系數(shù)就是著名的哈勃常數(shù)。

這一定律最初是由哈勃通過(guò)分析星系的光譜得到的。哈勃發(fā)現(xiàn)，來(lái)自遙遠(yuǎn)星系的光到達(dá)地球時(shí)其波長(zhǎng)會(huì)變長(zhǎng)。根據(jù)我們熟悉的多普勒紅移，如果光源在遠(yuǎn)離我們，我們觀測(cè)到的來(lái)自光源的光波長(zhǎng)會(huì)變長(zhǎng)。那么，哈勃的這一發(fā)現(xiàn)可以用多普勒紅移來(lái)解釋嗎？

答案是否定的。

首先，在理論上這將導(dǎo)致嚴(yán)重的矛盾：當(dāng)我們考慮足夠遠(yuǎn)的星系，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)星系遠(yuǎn)離的速率將會(huì)超過(guò)光速，這與相對(duì)論原理相違背；并且，地球似乎成了所有星系退行的中心，這與宇宙學(xué)原理——宇宙在大尺度上是均勻且各向同性的——相違背。

其次，天文觀測(cè)發(fā)現(xiàn)：Ⅰa型超新星光變曲線表明宇宙中存在著時(shí)間膨脹效應(yīng)，這種時(shí)間膨脹效應(yīng)在宇宙深處是無(wú)法用多普勒紅移來(lái)解釋的；另外，紅移–距離關(guān)系在高紅移處明顯偏離多普勒曲線。因此，這種波長(zhǎng)變長(zhǎng)的現(xiàn)象并不能用多普勒紅移來(lái)解釋。

為了解釋哈勃所發(fā)現(xiàn)的波長(zhǎng)變長(zhǎng)現(xiàn)象，我們需要打破原有的靜態(tài)宇宙的觀念。接下來(lái)，我們將從膨脹的宇宙中尋求答案。

Part.2

宇宙膨脹：空間的動(dòng)態(tài)“拉伸”

在討論膨脹的宇宙之前，我們先了解一下靜態(tài)宇宙的概念。所謂靜態(tài)宇宙，指的是我們先驗(yàn)地將宇宙的空間認(rèn)為是不變的，于是可以形象地用一個(gè)固定的網(wǎng)格來(lái)刻畫，這個(gè)網(wǎng)格可以看成是星系運(yùn)動(dòng)的舞臺(tái)。星系的退行運(yùn)動(dòng)被詮釋為星系在網(wǎng)格中的移動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生了多普勒紅移。也就是說(shuō)，前文所述，地球處于退行中心以及超光速所帶來(lái)的理論困境，都是在假定了靜態(tài)宇宙時(shí)空背景的前提之下產(chǎn)生的。

靜態(tài)宇宙示意圖（圖片來(lái)源：作者自制）

然而，宇宙空間并非靜態(tài)的，而是在不斷膨脹的?？坍嬘钪婵臻g的網(wǎng)格也不再固定，而是隨著宇宙的膨脹被不斷拉伸。星系的退行運(yùn)動(dòng)被重新詮釋：星系被固定在網(wǎng)格上，隨著網(wǎng)格的拉伸（即宇宙膨脹）而遠(yuǎn)離我們。在這種詮釋下，星系退行運(yùn)動(dòng)不再面臨理論上的困境。

首先，地球不再處于退行中心——在網(wǎng)格上相距越遠(yuǎn)的星系隨著網(wǎng)格的拉伸，其相互遠(yuǎn)離的速度也就越大，不存在所謂退行中心的特殊位置。

其次，退行速率超過(guò)光速不再是問(wèn)題——退行速率僅代表宇宙膨脹（網(wǎng)格拉伸）的速率，而非星系的運(yùn)動(dòng)速率（在網(wǎng)格中的移動(dòng)速率），更不會(huì)存在信息傳遞超光速的問(wèn)題，相對(duì)論中的光速不變?cè)淼靡员３帧?/p>

膨脹宇宙示意圖（圖片來(lái)源：作者自制）

值得注意的是，在網(wǎng)格拉伸過(guò)程中，星系并未在網(wǎng)格中移動(dòng)，于是這不會(huì)產(chǎn)生多普勒紅移。那么哈勃觀測(cè)到的紅移現(xiàn)象究竟是如何發(fā)生的呢？這是因?yàn)?，宇宙空間的膨脹會(huì)自然地產(chǎn)生另一種紅移機(jī)制——宇宙學(xué)紅移。如前文所述，宇宙膨脹過(guò)程中，刻畫宇宙空間的網(wǎng)格被拉伸，那么在網(wǎng)格中運(yùn)動(dòng)的光波長(zhǎng)也會(huì)隨之被拉長(zhǎng)，這便是宇宙學(xué)紅移。換言之，宇宙學(xué)紅移并非由于星系在宇宙空間中的穿行運(yùn)動(dòng)而引起，而是由于空間本身的膨脹而引起。經(jīng)過(guò)大量的天文觀測(cè)和理論計(jì)算，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，由宇宙膨脹導(dǎo)致的宇宙學(xué)紅移理論可以很好地解釋哈勃所發(fā)現(xiàn)的波長(zhǎng)變長(zhǎng)現(xiàn)象。因此，哈勃定律實(shí)際上是宇宙膨脹的體現(xiàn)。

宇宙學(xué)紅移示意圖（圖片來(lái)源：作者自制）

至此，我們借助拉伸網(wǎng)格的方式建立了對(duì)宇宙膨脹的直觀理解。在此基礎(chǔ)上，我們進(jìn)一步對(duì)“距離”概念做一個(gè)澄清。前文所述及的所有距離——如隨著網(wǎng)格拉伸而變大的星系距離——都是指物理距離，即實(shí)際測(cè)得星系距離我們有多遠(yuǎn)。然而，在拉伸網(wǎng)格的過(guò)程中，星系在網(wǎng)格上的位置并沒(méi)有改變，即星系與我們之間的“格點(diǎn)數(shù)”并沒(méi)有改變，這個(gè)“格點(diǎn)數(shù)”在物理上被抽象為另一種距離——共動(dòng)距離。共動(dòng)距離是排除了宇宙膨脹效應(yīng)的距離，與物理距離隨著宇宙膨脹增大不同，共動(dòng)距離在宇宙膨脹中保持不變。物理距離與共動(dòng)距離之比是一個(gè)隨時(shí)間而變大的量，這個(gè)量被稱為“尺度因子”，它體現(xiàn)了宇宙的膨脹。在后文中我們將看到，尺度因子對(duì)于計(jì)算可觀測(cè)宇宙半徑具有重要意義。

Part.3

宇宙年齡與可觀測(cè)宇宙半徑：

解開“465億光年”之謎

宇宙年齡可以根據(jù)哈勃定律簡(jiǎn)單估算。若近似認(rèn)為星系以勻速率退行，那么星系退行到當(dāng)前其所在位置所需的時(shí)間就是哈勃常數(shù)的倒數(shù)，由此可以得到宇宙的年齡約為138億年。

值得注意的是，哈勃“常數(shù)”并非真正的常數(shù)，而是一個(gè)隨著宇宙演化而變化的量，我們所說(shuō)的哈勃常數(shù)僅代表當(dāng)前時(shí)刻星系與我們的距離和退行速率之間的一般關(guān)系。

如果我們的宇宙是靜態(tài)的，那么根據(jù)宇宙的年齡是138億年，我們所能接收到的最早的一束光應(yīng)當(dāng)是與我們相距138億光年處的星系發(fā)出的，在這種情況下，可觀測(cè)宇宙的半徑是138億光年。然而，我們的宇宙被證實(shí)是膨脹的，這意味著，這束古老光芒的發(fā)出者，已經(jīng)隨著宇宙的膨脹退行到了更遙遠(yuǎn)的位置。于是，在我們的宇宙中，可觀測(cè)宇宙的半徑可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于138億光年。

從理論上講，宇宙演化的總時(shí)間以及在這段時(shí)間內(nèi)宇宙的膨脹程度，共同決定了可觀測(cè)宇宙半徑的大小。我們已經(jīng)知道宇宙演化的總時(shí)間約為138億年。宇宙膨脹程度是由前文所述的尺度因子來(lái)衡量，尺度因子的演化通過(guò)測(cè)定宇宙中各物質(zhì)組分的比例經(jīng)由宇宙學(xué)中的弗里德曼方程得出。結(jié)合現(xiàn)代天文學(xué)與宇宙學(xué)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，可以計(jì)算得出可觀測(cè)宇宙半徑約為465億光年。

由此可見，138億年的宇宙年齡與465億光年的可觀測(cè)宇宙半徑之間并無(wú)矛盾，而是宇宙膨脹的必然結(jié)果。這正是現(xiàn)代宇宙學(xué)對(duì)宇宙演化的關(guān)鍵認(rèn)知。

Part.4

宇宙膨脹的“幕后推手”：暴脹與暗能量

我們已經(jīng)知道，可觀測(cè)宇宙的邊界隨宇宙的膨脹而被拉伸，在138億年的宇宙年齡內(nèi)已被拉伸至465億光年。那么，宇宙膨脹的動(dòng)力從何而來(lái)？

宇宙膨脹的初始動(dòng)力來(lái)自暴脹?，F(xiàn)代宇宙學(xué)理論表明，在宇宙極早期（約大爆炸后秒內(nèi)），宇宙經(jīng)歷了一次極其快速的、指數(shù)級(jí)的膨脹階段。如果把宇宙最初想象成一根被壓縮的彈簧，那么暴脹就像是彈簧被突然釋放的過(guò)程，彈簧的勢(shì)能快速轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，并推動(dòng)宇宙的膨脹。暴脹不僅提供了宇宙膨脹的初始動(dòng)力，還提供了宇宙中物質(zhì)演化的初始條件——如原初密度擾動(dòng)。這些原初密度漲落的痕跡保留在宇宙微波背景輻射（CMB）的溫度漲落中，并被天文觀測(cè)所發(fā)現(xiàn)，成為支持暴脹理論的關(guān)鍵證據(jù)。

宇宙膨脹的持續(xù)動(dòng)力來(lái)自暗能量。我們知道，萬(wàn)有引力表現(xiàn)出普遍吸引的效果，那么在暴脹結(jié)束之后，宇宙的膨脹似乎應(yīng)當(dāng)是減速的。然而，在1998年，科學(xué)家們通過(guò)觀測(cè)Ⅰa型超新星的亮度發(fā)現(xiàn)：宇宙膨脹非但沒(méi)有減速，反而在加速！為了解釋宇宙的加速膨脹，科學(xué)家們提出了“暗能量”的概念。暗能量充斥在全宇宙空間中，是一種具有負(fù)壓強(qiáng)的能量形式，可以推動(dòng)空間不斷加速膨脹。

宇宙膨脹歷史（圖片來(lái)源：維基百科）

Part.5

探索宇宙的新紀(jì)元：“后哈勃”時(shí)代

1990年，為了紀(jì)念埃德溫·哈勃在發(fā)現(xiàn)宇宙膨脹中所做出的重要貢獻(xiàn)，以其名字命名的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡(Hubble Space Telescope, HST)升空。在這30年來(lái)，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡在幫助人類探索宇宙中做出了重要貢獻(xiàn)。在前文提及的哈勃常數(shù)測(cè)量、宇宙年齡估算以及宇宙加速膨脹的發(fā)現(xiàn)等方面，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡都立下了汗馬功勞。

如今，隨著天文觀測(cè)手段的不斷進(jìn)步，人類已經(jīng)進(jìn)入探索宇宙的新紀(jì)元：“后哈勃”時(shí)代。2021年，詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡(James Webb Space Telescope, JWST)成功升空，標(biāo)志著這一新時(shí)代的到來(lái)。在“后哈勃”時(shí)代，人類對(duì)宇宙膨脹的認(rèn)識(shí)將會(huì)進(jìn)一步加深。

1.哈勃常數(shù)危機(jī)

在宇宙學(xué)中，主要有兩類精確測(cè)量哈勃常數(shù)的手段，一是在低紅移處（較近處）直接測(cè)量宇宙的膨脹速度，二是在高紅移處（較遠(yuǎn)處）測(cè)量宇宙早期的行為來(lái)推測(cè)哈勃常數(shù)。前者如宇宙距離階梯法，后者如宇宙微波背景輻射法。然而，這兩種方法給出的哈勃常數(shù)存在顯著差異，且隨著觀測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，這個(gè)差異越來(lái)越大。這說(shuō)明科學(xué)家根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型推測(cè)出來(lái)的宇宙膨脹速度，與當(dāng)前測(cè)得的宇宙膨脹速度并不一致，這似乎暗示了標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型（LCDM宇宙學(xué)模型）的局限性。

2.動(dòng)力學(xué)暗能量

今年，DESI（暗能量光譜巡天）合作組發(fā)布的最新觀測(cè)表明，暗能量或許并非固定不變的真空能量，而是會(huì)隨著宇宙的演化而改變，支持動(dòng)力學(xué)暗能量的統(tǒng)計(jì)顯著性達(dá)到了2.8σ到4.2σ之間（天文學(xué)中公認(rèn)的發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)為5σ）。如果這一發(fā)現(xiàn)被證實(shí)，宇宙學(xué)常數(shù)作為暗能量的解釋將被排除，這將顛覆現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型（LCDM宇宙學(xué)模型），引發(fā)宇宙學(xué)理論的變革。

在“后哈勃”時(shí)代，更多的天文望遠(yuǎn)鏡將會(huì)投入使用，比如將要發(fā)射的南?！じ窭姿埂ち_曼太空望遠(yuǎn)鏡，以及我國(guó)的巡天空間望遠(yuǎn)鏡；同時(shí)，引力波、中微子等多信使天文學(xué)的發(fā)展，也拓寬了人類探索宇宙的渠道。相信隨著人類孜孜不倦地求知與探索，宇宙的謎團(tuán)終將被揭曉。宇宙學(xué)的未來(lái)將何去何從？讓我們拭目以待……

出品：科普中國(guó)

作者：孟哲、顏瑞玨

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

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