大爆炸后僅僅 138 億年，而我們卻可以從各個(gè)方向看到 461 億光年之外的地方。

（圖片來(lái)源：NASA/CXC/M. Weiss）

宇宙膨脹的視覺(jué)歷史包括被稱為大爆炸的熱致密狀態(tài)以及隨后暗物質(zhì)結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)與形成。天文學(xué)家包括對(duì)輕元素和宇宙微波背景的觀測(cè)，只留下大爆炸作為對(duì)我們對(duì)所見(jiàn)一切的有效解釋。隨著宇宙膨脹和冷卻，從而使離子、中性原子，最終形成分子、氣體云、恒星，最終形成星系。

關(guān)鍵要點(diǎn)

相對(duì)論的基本規(guī)則是宇宙有一個(gè)速度限制——光速，沒(méi)有什么可以打破它。

然而，當(dāng)我們觀察最遠(yuǎn)的物體時(shí)，雖然它們的光傳播了不超過(guò) 138 億年，但它們看起來(lái)比138億年更遠(yuǎn)。

實(shí)際上它們并沒(méi)有打破光速的；它們只會(huì)打破我們對(duì)現(xiàn)實(shí)應(yīng)該如何表現(xiàn)的過(guò)時(shí)的、直覺(jué)的觀念。

相信大多數(shù)人都知道一條關(guān)于宇宙的規(guī)則，那就是一個(gè)任何事物都無(wú)法超越光速。如果你是一個(gè)大質(zhì)量粒子，你不僅不能超過(guò)那個(gè)速度，而且你永遠(yuǎn)也達(dá)不到它；你只能接近光速。如果你沒(méi)有質(zhì)量，那你只能以一種速度在時(shí)空中移動(dòng)：如果你在真空中，則為光速；如果你在介質(zhì)中，則為較慢的速度。你在空間中的運(yùn)動(dòng)越快，你在時(shí)間中的運(yùn)動(dòng)就越慢，反之亦然。沒(méi)有辦法回避這些事實(shí)，因?yàn)樗鼈兪窍鄬?duì)論所基于的基本原理。

然而，宇宙中的某些天體似乎違背了我們的常識(shí)性邏輯。通過(guò)一系列精確的觀測(cè)，我們確信宇宙的年齡是 138 億年。但目前我們所見(jiàn)最遙遠(yuǎn)的星系是詹姆斯韋伯望遠(yuǎn)鏡拍攝到的JADES-GS-z13-0星系，它距離我們有 330 億光年；我們看到的最遠(yuǎn)的光對(duì)應(yīng)于目前 461 億光年之外的一個(gè)點(diǎn)。

然而，上述的這些發(fā)現(xiàn)都沒(méi)有打破光速或相對(duì)論定律；它們只會(huì)打破我們對(duì)事物應(yīng)該如何表現(xiàn)的直覺(jué)觀念。這是每個(gè)人都應(yīng)該了解的關(guān)于宇宙膨脹和光速的知識(shí)。

（圖片來(lái)源：Networkologies 和普拉特研究所的 Christopher Vitale。）

宇宙中的質(zhì)量體會(huì)導(dǎo)致本來(lái)是“直線”的線變成彎曲特定量的線。在廣義相對(duì)論中，愛(ài)因斯坦將空間和時(shí)間視為連續(xù)的，但他認(rèn)為所有形式的能量和質(zhì)量都會(huì)導(dǎo)致時(shí)空彎曲。

任何物體都無(wú)法超越光速意味著什么？

當(dāng)你觀察一個(gè)物體時(shí)，你可以跟蹤它的運(yùn)動(dòng)，還可以觀察它的位置是如何隨時(shí)間變化而變化的。

當(dāng)你看到它時(shí)，你可以記錄它觀察到的位置和你觀察到它的時(shí)間。

然后，通過(guò)使用速度的定義:距離÷時(shí)間=速度

因此，無(wú)論是觀察有質(zhì)量的物體還是無(wú)質(zhì)量的物體，你得到的速度永遠(yuǎn)都不會(huì)超過(guò)光速，否則就會(huì)違反相對(duì)論。

這在我們大多數(shù)的情況下都是正確的，但并非沒(méi)有例外。特別是這些都包含一個(gè)我們幾乎從未考慮過(guò)的假設(shè)。

關(guān)于這個(gè)假設(shè):一個(gè)平坦、不彎曲、不變的空間，我們考慮三維宇宙時(shí)，我們通常會(huì)想到這種空間。我們大多數(shù)人也設(shè)想做一些事情，比如在我們看到的一切之上放置一個(gè)三維的“網(wǎng)格”，并嘗試用一組四個(gè)坐標(biāo)來(lái)描述位置和時(shí)間，每個(gè)坐標(biāo)對(duì)應(yīng) x、y、z 和時(shí)間維度.

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圖片來(lái)源：Larry McNish/RASC Calgary

如果在膨脹的宇宙中有足夠的時(shí)間，遠(yuǎn)處物體發(fā)出的光也終將會(huì)到達(dá)我們的眼睛的。然而，如果一個(gè)遙遠(yuǎn)星系的后退速度達(dá)到并保持在光速之上，我們就永遠(yuǎn)無(wú)法到達(dá)它，即使我們可以接收到來(lái)自它遙遠(yuǎn)過(guò)去的光。

換句話說(shuō)，我們大多數(shù)人都了解狹義相對(duì)論的基本概念，即“沒(méi)有什么比光運(yùn)動(dòng)得更快”的一部分，但沒(méi)有意識(shí)到僅靠狹義相對(duì)論無(wú)法準(zhǔn)確描述真實(shí)的宇宙。相反，我們需要考慮到宇宙有一個(gè)動(dòng)態(tài)的時(shí)空結(jié)構(gòu)支撐它，只有物體在那個(gè)時(shí)空中的運(yùn)動(dòng)才符合狹義相對(duì)論的定律。

在我們的共同概念中沒(méi)有包含的是空間結(jié)構(gòu)與這種理想化的平面三維網(wǎng)格的不同方式，其中每個(gè)連續(xù)的時(shí)刻都由一個(gè)普遍適用的時(shí)鐘來(lái)描述。相反，我們必須認(rèn)識(shí)到我們的宇宙遵循愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的規(guī)則，而這些規(guī)則決定了時(shí)空的演化方式。尤其是：

空間本身可以膨脹或收縮

空間本身可以正向或負(fù)向彎曲，而不僅僅是平坦的

相對(duì)論適用于在空間中移動(dòng)的物體，而不適用于空間本身

換句話說(shuō)，當(dāng)我們說(shuō)“沒(méi)有什么能比光移動(dòng)得更快”時(shí)，我們的意思是“沒(méi)有什么能比光在空間中移動(dòng)得更快”，但是物體在空間中的運(yùn)動(dòng)并沒(méi)有告訴我們空間本身將如何演化?；蛘撸覀冎荒軘嘌?，相對(duì)于時(shí)空中同一位置或事件的另一個(gè)物體，沒(méi)有什么比光移動(dòng)得更快。

埃德溫·哈勃 (Edwin Hubble) 最初繪制的星系距離與紅移關(guān)系圖（左），建立了膨脹的宇宙，與大約 70 年后更現(xiàn)代的對(duì)應(yīng)物（右）進(jìn)行了比較。與觀測(cè)和理論一致，宇宙正在膨脹。

所以，沒(méi)有什么比光在空間中移動(dòng)得更快，但空間本身的變化方式又如何呢？從上文可知我們生活在一個(gè)膨脹的宇宙中，并且我們已經(jīng)測(cè)量了空間結(jié)構(gòu)本身膨脹的速率——哈勃常數(shù)。我們甚至精確地測(cè)量了該速率，并且可以確定，根據(jù)我們進(jìn)行的所有測(cè)量和觀察，當(dāng)前的膨脹速率恰好在 66 到 74 km/s/Mpc 之間：km/s每百萬(wàn)秒差距。

但是空間在膨脹意味著什么呢？

一個(gè)遙遠(yuǎn)且不受約束的物體距離我們每百萬(wàn)秒差距（約 326 萬(wàn)光年），我們就會(huì)看到它從我們身邊退去，就好像它正在以相當(dāng)于 66-74 公里/秒的速度遠(yuǎn)離我們。如果某物距離我們 20 Mpc，我們希望看到它以相當(dāng)于 1320-1480 公里/秒的速度遠(yuǎn)離我們；如果距離為 5000 Mpc，我們預(yù)計(jì)它會(huì)以約 330,000-370,000 公里/秒的速度移動(dòng)。

但這令人困惑，原因有二。第一，它實(shí)際上并不是以那個(gè)速度在空間中移動(dòng)，而是物體之間的空間擴(kuò)大的效果。第二，光速是 299,792 公里/秒，那么那個(gè)距離我們約 5000 Mpc 的假設(shè)物體是否真的以超過(guò)光速的速度遠(yuǎn)離我們？

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膨脹宇宙的“葡萄干面包”模型，其中相對(duì)距離隨著空間（面團(tuán)）的膨脹而增加。任何兩個(gè)葡萄干彼此之間的距離越遠(yuǎn)，到接收到光時(shí)觀察到的紅移就越大。膨脹宇宙預(yù)測(cè)的紅移-距離關(guān)系在觀測(cè)中得到證實(shí)，并且與自 1920 年代以來(lái)一直已知的情況一致。

科學(xué)家們喜歡用“葡萄干面包”模型來(lái)思考膨脹的宇宙。想象一下，你有一團(tuán)面團(tuán)，里面全是葡萄干?，F(xiàn)在想象面團(tuán)發(fā)酵，向各個(gè)方向膨脹，現(xiàn)在，如果你把手指放在一顆葡萄干上，你會(huì)看見(jiàn):

隨著它們之間的面團(tuán)膨脹，離你最近的葡萄干似乎會(huì)慢慢遠(yuǎn)離你。

距離較遠(yuǎn)的葡萄干似乎移動(dòng)得更快，因?yàn)樗鼈兒湍阒g的面團(tuán)比距離較近的葡萄干多。

距離更遠(yuǎn)的葡萄干似乎會(huì)越來(lái)越快地離開(kāi)。

現(xiàn)在，在我們這里的類比中，葡萄干就像星系或束縛的星系團(tuán)/星系團(tuán)，面團(tuán)就像膨脹的宇宙。但在這種情況下，代表空間結(jié)構(gòu)的面團(tuán)無(wú)法被看到或直接檢測(cè)到，實(shí)際上并沒(méi)有隨著宇宙膨脹而變得不那么致密，只是為葡萄干或星系提供了一個(gè)棲息的“環(huán)境”。

（圖片來(lái)源：E. Siegel/Beyond the Galaxy）

由于體積的增加，隨著宇宙的膨脹，物質(zhì)和輻射的密度會(huì)降低，而暗能量是空間本身固有的一種能量形式。隨著在膨脹的宇宙中產(chǎn)生新的空間，暗能量密度保持不變。

膨脹率取決于給定空間體積中“物質(zhì)”的總量，因此隨著宇宙膨脹，它會(huì)稀釋并且膨脹率下降。因?yàn)槲镔|(zhì)和輻射是由固定數(shù)量的粒子組成的，隨著宇宙的膨脹和體積的增加，物質(zhì)和輻射的密度都會(huì)下降。輻射密度的下降速度比物質(zhì)密度快一點(diǎn)，因?yàn)檩椛涞哪芰渴怯伤牟ㄩL(zhǎng)決定的，隨著宇宙的膨脹，波長(zhǎng)也會(huì)伸展，導(dǎo)致它失去能量。

另一方面，“面團(tuán)”本身在空間的每個(gè)區(qū)域都包含有限的、正的、非零的能量，并且隨著宇宙的膨脹，能量密度保持不變。當(dāng)物質(zhì)和輻射密度下降時(shí)，“面團(tuán)”（或空間）本身的能量保持不變，這就是我們觀察到的暗能量。在包含所有這三種物質(zhì)的真實(shí)宇宙中，我們可以自信地得出結(jié)論，宇宙的能量收支在前幾千年由輻射主導(dǎo)，然后在接下來(lái)的幾十億年內(nèi)由物質(zhì)主導(dǎo)，然后由暗能量主導(dǎo)。據(jù)我們所知，暗能量將永遠(yuǎn)主宰宇宙。

宇宙的預(yù)期命運(yùn)（前三個(gè)插圖）都對(duì)應(yīng)于一個(gè)物質(zhì)和能量共同對(duì)抗初始膨脹率的宇宙。在我們觀察到的宇宙中，宇宙加速是由某種暗能量引起的，這是迄今為止無(wú)法解釋的。所有這些宇宙都由弗里德曼方程支配，該方程將宇宙的膨脹與其中存在的各種物質(zhì)和能量聯(lián)系起來(lái)。

到了最燒腦的部分了。每次我們看一個(gè)遙遠(yuǎn)的星系時(shí)，我們都會(huì)看到它現(xiàn)在發(fā)出的光：在它到達(dá)時(shí)。這意味著發(fā)出的光會(huì)產(chǎn)生一系列綜合效應(yīng)：

從它發(fā)射的地方到它到達(dá)的地方的重力勢(shì)能之間的差異

發(fā)射物體通過(guò)其空間的運(yùn)動(dòng)與吸收物體通過(guò)其局部空間的運(yùn)動(dòng)的差異

宇宙膨脹的累積效應(yīng)，會(huì)拉長(zhǎng)光的波長(zhǎng)

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（圖片來(lái)源：Rob Knop。）

這個(gè)簡(jiǎn)化的動(dòng)畫(huà)展示了在不斷膨脹的宇宙中，光是如何紅移的，以及未綁定物體之間的距離是如何隨時(shí)間變化的。請(qǐng)注意，物體開(kāi)始時(shí)比光在它們之間傳播所需的時(shí)間更近，光由于空間膨脹而發(fā)生紅移，并且兩個(gè)星系結(jié)束時(shí)比光子交換的光傳播路徑更遠(yuǎn)它們之間。

來(lái)自遠(yuǎn)處物體的光確實(shí)發(fā)生了紅移，但這并不是因?yàn)槿魏问挛锏暮笸怂俣榷急裙馑倏?，也不是因?yàn)槿魏问挛锏呐蛎浰俣榷急裙馑倏臁？臻g只是膨脹；是我們習(xí)慣用“速度”來(lái)定義，因?yàn)槟鞘俏覀兯煜さ摹?/span>

（圖片來(lái)源：Ned Wright/Betoule 等人（2014 年））

無(wú)論今天的膨脹率是多少，結(jié)合你們宇宙中存在的任何形式的物質(zhì)和能量，都將決定紅移和距離如何與我們宇宙中的河外物體相關(guān)。

究竟是什么導(dǎo)致了宇宙在不斷膨脹？

我們面臨的一個(gè)困難是我們無(wú)法實(shí)際測(cè)量遠(yuǎn)處物體的速度。我們可以通過(guò)各種代理來(lái)測(cè)量它的距離，比如它有多亮/多暗，或者它在天空中的顯示有多大/多小，假設(shè)我們知道或可以計(jì)算出它本質(zhì)上有多亮或多大。我們還可以測(cè)量它的紅移，或者如果我們處于精確的位置并且在發(fā)射光的相同精確條件下，光是如何“移動(dòng)”的。由于我們熟悉波因多普勒效應(yīng)（例如聲波）如何移動(dòng)，所以這種移動(dòng)通常被轉(zhuǎn)化為衰退速度。

但是，我們并沒(méi)有測(cè)量實(shí)際速度；我們正在測(cè)量運(yùn)動(dòng)的累積影響加上宇宙膨脹的影響。當(dāng)我們說(shuō)“宇宙正在加速”時(shí)，我們的實(shí)際意思是如果你在宇宙膨脹時(shí)觀察同一個(gè)物體是，它不僅會(huì)繼續(xù)與你越來(lái)越遠(yuǎn)，而且你從這個(gè)物體接收到的光將繼續(xù)顯示出不斷增加的紅移，這使得它看起來(lái)好像在加速遠(yuǎn)離你。

但實(shí)際上，紅移是由于空間的膨脹，而不是因?yàn)樾窍翟絹?lái)越快地遠(yuǎn)離你。如果我們隨著時(shí)間的推移實(shí)際測(cè)量膨脹率，它仍在下降，并最終將漸近到一個(gè)有限的、正的和非零的值；這就是生活在暗能量主導(dǎo)的宇宙中的意義。

（圖片來(lái)源：維基共享資源的 Andrew Z. Colvin 和 Frederic Michel）

我們可見(jiàn)宇宙的大?。S色），以及我們光信號(hào)可以達(dá)到的距離（洋紅色）?？梢?jiàn)宇宙的極限是 461 億光年，因?yàn)檫@是發(fā)射光的物體在遠(yuǎn)離我們 138 億年之后的距離的極限。然而，在大約 180 億光年之外，即使我們以光速行進(jìn)，我們也永遠(yuǎn)無(wú)法進(jìn)入星系。

那么，是什么決定了膨脹宇宙中的“距離”呢？

當(dāng)我們談?wù)摰脚蛎浻钪嬷心硞€(gè)物體的距離時(shí)，我們總是以：當(dāng)來(lái)自這些遙遠(yuǎn)物體的光到達(dá)地球。我們知道，我們看到的是這些物體在遙遠(yuǎn)過(guò)去的樣子，而不是它們今天的樣子。

但是當(dāng)我們談?wù)摗斑@個(gè)物體有多遠(yuǎn)”時(shí)，我們并不是在問(wèn)它發(fā)出我們現(xiàn)在看到的光時(shí)離我們有多遠(yuǎn)，我們也不是在問(wèn)光已經(jīng)存在了多長(zhǎng)時(shí)間在途中。相反，我們要問(wèn)的是，如果我們能以某種方式“凍結(jié)”宇宙現(xiàn)在的膨脹，那么這個(gè)物體此刻離我們有多遠(yuǎn)。觀測(cè)到最遠(yuǎn)的星系 GN-z11 在 134 億年前發(fā)出了現(xiàn)在到達(dá)的光，距離我們約 320 億光年。如果我們能一直看到大爆炸那一刻，我們就會(huì)看到 461 億光年之外，如果我們想知道最遠(yuǎn)的物體，其光還沒(méi)有到達(dá)我們，但總有一天會(huì)我們能見(jiàn)度能突破610億光年

但是，僅僅因?yàn)槟梢钥吹剿?，并不意味著您可以到達(dá)它。目前，距離我們 180 億光年以外的任何物體仍會(huì)發(fā)光，并且這種光會(huì)穿過(guò)宇宙，但空間結(jié)構(gòu)只會(huì)無(wú)情地膨脹到無(wú)法到達(dá)我們這里。隨著每一秒的過(guò)去，每個(gè)未相互束縛的天體都會(huì)移動(dòng)得越來(lái)越遠(yuǎn)，并且以前可訪問(wèn)的天體會(huì)變得永遠(yuǎn)無(wú)法訪問(wèn)。在膨脹的宇宙中，沒(méi)有什么比光移動(dòng)得更快，這既是福也是禍。除非我們弄清楚如何克服這個(gè)問(wèn)題，否則除了最近的星系之外，所有星系都可能永遠(yuǎn)無(wú)法觸及。