先秦典籍《尸子》中有云：“四方上下曰宇，往古來今曰宙?！绷攘葦?shù)語精辟地闡釋了“宇宙”一詞的含義：它是所有時間與空間及其內(nèi)涵的總和。隨著現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展，人們對宇宙的認識有了長足的進展。然而，時間、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)相對論理論，光速是宇宙中物質(zhì)運動速度的上限，也是宇宙中信息傳遞速度的上限。那么，在宇宙演化的整個歷史內(nèi)，光所能走過的最遠距離也不過138億光年，為何可觀測宇宙的半徑卻達到了驚人的465億光年呢？

可觀測宇宙（圖片來源：維基百科）

是宇宙學(xué)家說錯了嗎？或是相對論的理論錯了嗎？

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，美國天文學(xué)家埃德溫·哈勃有一個驚人發(fā)現(xiàn)：遙遠的星系都在遠離我們而去。這種星系逐漸遠離我們的運動，被稱之為星系的“退行”運動。而且，距離我們越遠的星系，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分析星系的光譜得到的。哈勃發(fā)現(xiàn)，來自遙遠星系的光到達地球時其波長會變長。根據(jù)我們熟悉的多普勒紅移，如果光源在遠離我們，我們觀測到的來自光源的光波長會變長。那么，哈勃的這一發(fā)現(xiàn)可以用多普勒紅移來解釋嗎？

答案是否定的。

首先，在理論上這將導(dǎo)致嚴重的矛盾：當(dāng)我們考慮足夠遠的星系，我們會發(fā)現(xiàn)星系遠離的速率將會超過光速，這與相對論原理相違背；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，天文觀測發(fā)現(xiàn)：Ⅰa型超新星光變曲線表明宇宙中存在著時間膨脹效應(yīng)，這種時間膨脹效應(yīng)在宇宙深處是無法用多普勒紅移來解釋的；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，這種波長變長的現(xiàn)象并不能用多普勒紅移來解釋。

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

Part.2

宇宙膨脹：空間的動態(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，指的是我們先驗地將宇宙的空間認為是不變的，于是可以形象地用一個固定的網(wǎng)格來刻畫，這個網(wǎng)格可以看成是星系運動的舞臺。星系的退行運動被詮釋為星系在網(wǎng)格中的移動，進而產(chǎn)生了多普勒紅移。也就是說，前文所述，地球處于退行中心以及超光速所帶來的理論困境，都是在假定了靜態(tài)宇宙時空背景的前提之下產(chǎn)生的。

靜態(tài)宇宙示意圖（圖片來源：作者自制）

然而，宇宙空間并非靜態(tài)的，而是在不斷膨脹的。刻畫宇宙空間的網(wǎng)格也不再固定，而是隨著宇宙的膨脹被不斷拉伸。星系的退行運動被重新詮釋：星系被固定在網(wǎng)格上，隨著網(wǎng)格的拉伸（即宇宙膨脹）而遠離我們。在這種詮釋下，星系退行運動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)格上相距越遠的星系隨著網(wǎng)格的拉伸，其相互遠離的速度也就越大，不存在所謂退行中心的特殊位置。

其次，退行速率超過光速不再是問題——退行速率僅代表宇宙膨脹（網(wǎng)格拉伸）的速率，而非星系的運動速率（在網(wǎng)格中的移動速率），更不會存在信息傳遞超光速的問題，相對論中的光速不變原理得以保持。

膨脹宇宙示意圖（圖片來源：作者自制）

值得注意的是，在網(wǎng)格拉伸過程中，星系并未在網(wǎng)格中移動，于是這不會產(chǎn)生多普勒紅移。那么哈勃觀測到的紅移現(xiàn)象究竟是如何發(fā)生的呢？這是因為，宇宙空間的膨脹會自然地產(chǎn)生另一種紅移機制——宇宙學(xué)紅移。如前文所述，宇宙膨脹過程中，刻畫宇宙空間的網(wǎng)格被拉伸，那么在網(wǎng)格中運動的光波長也會隨之被拉長，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動而引起，而是由于空間本身的膨脹而引起。經(jīng)過大量的天文觀測和理論計算，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)的波長變長現(xiàn)象。因此，哈勃定律實際上是宇宙膨脹的體現(xiàn)。

宇宙學(xué)紅移示意圖（圖片來源：作者自制）

至此，我們借助拉伸網(wǎng)格的方式建立了對宇宙膨脹的直觀理解。在此基礎(chǔ)上，我們進一步對“距離”概念做一個澄清。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，即實際測得星系距離我們有多遠。然而，在拉伸網(wǎng)格的過程中，星系在網(wǎng)格上的位置并沒有改變，即星系與我們之間的“格點數(shù)”并沒有改變，這個“格點數(shù)”在物理上被抽象為另一種距離——共動距離。共動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，共動距離在宇宙膨脹中保持不變。物理距離與共動距離之比是一個隨時間而變大的量，這個量被稱為“尺度因子”，它體現(xiàn)了宇宙的膨脹。在后文中我們將看到，尺度因子對于計算可觀測宇宙半徑具有重要意義。

Part.3

宇宙年齡與可觀測宇宙半徑：

解開“465億光年”之謎

宇宙年齡可以根據(jù)哈勃定律簡單估算。若近似認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)，而是一個隨著宇宙演化而變化的量，我們所說的哈勃常數(shù)僅代表當(dāng)前時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，可觀測宇宙的半徑是138億光年。然而，我們的宇宙被證實是膨脹的，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的位置。于是，在我們的宇宙中，可觀測宇宙的半徑可以遠遠大于138億光年。

從理論上講，宇宙演化的總時間以及在這段時間內(nèi)宇宙的膨脹程度，共同決定了可觀測宇宙半徑的大小。我們已經(jīng)知道宇宙演化的總時間約為138億年。宇宙膨脹程度是由前文所述的尺度因子來衡量，尺度因子的演化通過測定宇宙中各物質(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)的觀測數(shù)據(jù)，可以計算得出可觀測宇宙半徑約為465億光年。

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

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，宇宙膨脹的動力從何而來？

宇宙膨脹的初始動力來自暴脹。現(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程，彈簧的勢能快速轉(zhuǎn)化為動能，并推動宇宙的膨脹。暴脹不僅提供了宇宙膨脹的初始動力，還提供了宇宙中物質(zhì)演化的初始條件——如原初密度擾動。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)動力來自暗能量。我們知道，萬有引力表現(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)家們通過觀測Ⅰa型超新星的亮度發(fā)現(xiàn)：宇宙膨脹非但沒有減速，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，是一種具有負壓強的能量形式，可以推動空間不斷加速膨脹。

宇宙膨脹歷史（圖片來源：維基百科）

Part.5

探索宇宙的新紀(jì)元：“后哈勃”時代

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，以其名字命名的哈勃空間望遠鏡(Hubble Space Telescope, HST)升空。在這30年來，哈勃空間望遠鏡在幫助人類探索宇宙中做出了重要貢獻。在前文提及的哈勃常數(shù)測量、宇宙年齡估算以及宇宙加速膨脹的發(fā)現(xiàn)等方面，哈勃空間望遠鏡都立下了汗馬功勞。

如今，隨著天文觀測手段的不斷進步，人類已經(jīng)進入探索宇宙的新紀(jì)元：“后哈勃”時代。2021年，詹姆斯·韋布空間望遠鏡(James Webb Space Telescope, JWST)成功升空，標(biāo)志著這一新時代的到來。在“后哈勃”時代，人類對宇宙膨脹的認識將會進一步加深。

1.哈勃常數(shù)危機

在宇宙學(xué)中，主要有兩類精確測量哈勃常數(shù)的手段，一是在低紅移處（較近處）直接測量宇宙的膨脹速度，二是在高紅移處（較遠處）測量宇宙早期的行為來推測哈勃常數(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，且隨著觀測技術(shù)的進步，這個差異越來越大。這說明科學(xué)家根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型推測出來的宇宙膨脹速度，與當(dāng)前測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)布的最新觀測表明，暗能量或許并非固定不變的真空能量，而是會隨著宇宙的演化而改變，支持動力學(xué)暗能量的統(tǒng)計顯著性達到了2.8σ到4.2σ之間（天文學(xué)中公認的發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)為5σ）。如果這一發(fā)現(xiàn)被證實，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”時代，更多的天文望遠鏡將會投入使用，比如將要發(fā)射的南希·格雷斯·羅曼太空望遠鏡，以及我國的巡天空間望遠鏡；同時，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，宇宙的謎團終將被揭曉。宇宙學(xué)的未來將何去何從？讓我們拭目以待……

出品：科普中國

作者：孟哲、顏瑞玨

監(jiān)制：中國科普博覽

本文僅代表作者觀點，不代表中國科普博覽立場

本文首發(fā)于中國科普博覽（kepubolan）

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