宇宙才138亿岁，为什么我们却看见了465亿光年外？

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先秦典籍《尸子》中有云：“四方上下曰宇，往古来今曰宙。”寥寥数语精辟地阐释了“宇宙”一词的含义：它是所有时间与空间及其内涵的总和。随着现代科学的发展，人们对宇宙的认识有了长足的进展。然而，时间、空间依然是宇宙学研究中亘古不变的核心议题。
宇宙学家告诉我们：宇宙的年龄是138亿年，可观测宇宙的半径是465亿光年（光年是光在真空中一年所走的距离）。根据相对论理论，光速是宇宙中物质运动速度的上限，也是宇宙中信息传递速度的上限。那么，在宇宙演化的整个历史内，光所能走过的最远距离也不过138亿光年，为何可观测宇宙的半径却达到了惊人的465亿光年呢？

可观测宇宙

（图片来源：维基百科）

是宇宙学家说错了吗？或是相对论的理论错了吗？
都不是。
原因就在于，我们的宇宙空间并非不变的，而是一直在膨胀！
哈勃定律：宇宙膨胀的“侦探线索”

20世纪20年代末，美国天文学家埃德温·哈勃有一个惊人发现：遥远的星系都在远离我们而去。这种星系逐渐远离我们的运动，被称之为星系的“退行”运动。而且，距离我们越远的星系，其退行的速率越大，退行速率与星系离我们的距离成正比，其比例系数就是著名的哈勃常数。
这一定律最初是由哈勃通过分析星系的光谱得到的。哈勃发现，来自遥远星系的光到达地球时其波长会变长。根据我们熟悉的多普勒红移，如果光源在远离我们，我们观测到的来自光源的光波长会变长。那么，哈勃的这一发现可以用多普勒红移来解释吗？
答案是否定的。
首先，在理论上这将导致严重的矛盾：当我们考虑足够远的星系，我们会发现星系远离的速率将会超过光速，这与相对论原理相违背；并且，地球似乎成了所有星系退行的中心，这与宇宙学原理——宇宙在大尺度上是均匀且各向同性的——相违背。
其次，天文观测发现：Ⅰa型超新星光变曲线表明宇宙中存在着时间膨胀效应，这种时间膨胀效应在宇宙深处是无法用多普勒红移来解释的；另外，红移–距离关系在高红移处明显偏离多普勒曲线。因此，这种波长变长的现象并不能用多普勒红移来解释。
为了解释哈勃所发现的波长变长现象，我们需要打破原有的静态宇宙的观念。接下来，我们将从膨胀的宇宙中寻求答案。
宇宙膨胀：空间的动态“拉伸”

在讨论膨胀的宇宙之前，我们先了解一下静态宇宙的概念。所谓静态宇宙，指的是我们先验地将宇宙的空间认为是不变的，于是可以形象地用一个固定的网格来刻画，这个网格可以看成是星系运动的舞台。星系的退行运动被诠释为星系在网格中的移动，进而产生了多普勒红移。也就是说，前文所述，地球处于退行中心以及超光速所带来的理论困境，都是在假定了静态宇宙时空背景的前提之下产生的。

静态宇宙示意图

（图片来源：作者自制）

然而，宇宙空间并非静态的，而是在不断膨胀的。刻画宇宙空间的网格也不再固定，而是随着宇宙的膨胀被不断拉伸。星系的退行运动被重新诠释：星系被固定在网格上，随着网格的拉伸（即宇宙膨胀）而远离我们。在这种诠释下，星系退行运动不再面临理论上的困境。
首先，地球不再处于退行中心——在网格上相距越远的星系随着网格的拉伸，其相互远离的速度也就越大，不存在所谓退行中心的特殊位置。
其次，退行速率超过光速不再是问题——退行速率仅代表宇宙膨胀（网格拉伸）的速率，而非星系的运动速率（在网格中的移动速率），更不会存在信息传递超光速的问题，相对论中的光速不变原理得以保持。

膨胀宇宙示意图

（图片来源：作者自制）

值得注意的是，在网格拉伸过程中，星系并未在网格中移动，于是这不会产生多普勒红移。那么哈勃观测到的红移现象究竟是如何发生的呢？这是因为，宇宙空间的膨胀会自然地产生另一种红移机制——宇宙学红移。如前文所述，宇宙膨胀过程中，刻画宇宙空间的网格被拉伸，那么在网格中运动的光波长也会随之被拉长，这便是宇宙学红移。换言之，宇宙学红移并非由于星系在宇宙空间中的穿行运动而引起，而是由于空间本身的膨胀而引起。经过大量的天文观测和理论计算，科学家们发现，由宇宙膨胀导致的宇宙学红移理论可以很好地解释哈勃所发现的波长变长现象。因此，哈勃定律实际上是宇宙膨胀的体现。

宇宙学红移示意图

（图片来源：作者自制）

至此，我们借助拉伸网格的方式建立了对宇宙膨胀的直观理解。在此基础上，我们进一步对“距离”概念做一个澄清。前文所述及的所有距离——如随着网格拉伸而变大的星系距离——都是指物理距离，即实际测得星系距离我们有多远。然而，在拉伸网格的过程中，星系在网格上的位置并没有改变，即星系与我们之间的“格点数”并没有改变，这个“格点数”在物理上被抽象为另一种距离——共动距离。共动距离是排除了宇宙膨胀效应的距离，与物理距离随着宇宙膨胀增大不同，共动距离在宇宙膨胀中保持不变。物理距离与共动距离之比是一个随时间而变大的量，这个量被称为“尺度因子”，它体现了宇宙的膨胀。在后文中我们将看到，尺度因子对于计算可观测宇宙半径具有重要意义。
宇宙年龄与可观测宇宙半径：解开“465亿光年”之谜

宇宙年龄可以根据哈勃定律简单估算。若近似认为星系以匀速率退行，那么星系退行到当前其所在位置所需的时间就是哈勃常数的倒数，由此可以得到宇宙的年龄约为138亿年。
值得注意的是，哈勃“常数”并非真正的常数，而是一个随着宇宙演化而变化的量，我们所说的哈勃常数仅代表当前时刻星系与我们的距离和退行速率之间的一般关系。
如果我们的宇宙是静态的，那么根据宇宙的年龄是138亿年，我们所能接收到的最早的一束光应当是与我们相距138亿光年处的星系发出的，在这种情况下，可观测宇宙的半径是138亿光年。然而，我们的宇宙被证实是膨胀的，这意味着，这束古老光芒的发出者，已经随着宇宙的膨胀退行到了更遥远的位置。于是，在我们的宇宙中，可观测宇宙的半径可以远远大于138亿光年。
从理论上讲，宇宙演化的总时间以及在这段时间内宇宙的膨胀程度，共同决定了可观测宇宙半径的大小。我们已经知道宇宙演化的总时间约为138亿年。宇宙膨胀程度是由前文所述的尺度因子来衡量，尺度因子的演化通过测定宇宙中各物质组分的比例经由宇宙学中的弗里德曼方程得出。结合现代天文学与宇宙学的观测数据，可以计算得出可观测宇宙半径约为465亿光年。
由此可见，138亿年的宇宙年龄与465亿光年的可观测宇宙半径之间并无矛盾，而是宇宙膨胀的必然结果。这正是现代宇宙学对宇宙演化的关键认知。
宇宙膨胀的“幕后推手”：暴胀与暗能量

我们已经知道，可观测宇宙的边界随宇宙的膨胀而被拉伸，在138亿年的宇宙年龄内已被拉伸至465亿光年。那么，宇宙膨胀的动力从何而来？
宇宙膨胀的初始动力来自暴胀。现代宇宙学理论表明，在宇宙极早期（约大爆炸后秒内），宇宙经历了一次极其快速的、指数级的膨胀阶段。如果把宇宙最初想象成一根被压缩的弹簧，那么暴胀就像是弹簧被突然释放的过程，弹簧的势能快速转化为动能，并推动宇宙的膨胀。暴胀不仅提供了宇宙膨胀的初始动力，还提供了宇宙中物质演化的初始条件——如原初密度扰动。这些原初密度涨落的痕迹保留在宇宙微波背景辐射（CMB）的温度涨落中，并被天文观测所发现，成为支持暴胀理论的关键证据。
宇宙膨胀的持续动力来自暗能量。我们知道，万有引力表现出普遍吸引的效果，那么在暴胀结束之后，宇宙的膨胀似乎应当是减速的。然而，在1998年，科学家们通过观测Ⅰa型超新星的亮度发现：宇宙膨胀非但没有减速，反而在加速！为了解释宇宙的加速膨胀，科学家们提出了“暗能量”的概念。暗能量充斥在全宇宙空间中，是一种具有负压强的能量形式，可以推动空间不断加速膨胀。

宇宙膨胀历史

（图片来源：维基百科）

探索宇宙的新纪元：“后哈勃”时代

1990年，为了纪念埃德温·哈勃在发现宇宙膨胀中所做出的重要贡献，以其名字命名的哈勃空间望远镜(Hubble Space Telescope, HST)升空。在这30年来，哈勃空间望远镜在帮助人类探索宇宙中做出了重要贡献。在前文提及的哈勃常数测量、宇宙年龄估算以及宇宙加速膨胀的发现等方面，哈勃空间望远镜都立下了汗马功劳。
如今，随着天文观测手段的不断进步，人类已经进入探索宇宙的新纪元：“后哈勃”时代。2021年，詹姆斯·韦布空间望远镜(James Webb Space Telescope, JWST)成功升空，标志着这一新时代的到来。在“后哈勃”时代，人类对宇宙膨胀的认识将会进一步加深。

哈勃常数危机
在宇宙学中，主要有两类精确测量哈勃常数的手段，一是在低红移处（较近处）直接测量宇宙的膨胀速度，二是在高红移处（较远处）测量宇宙早期的行为来推测哈勃常数。前者如宇宙距离阶梯法，后者如宇宙微波背景辐射法。然而，这两种方法给出的哈勃常数存在显著差异，且随着观测技术的进步，这个差异越来越大。这说明科学家根据标准宇宙学模型推测出来的宇宙膨胀速度，与当前测得的宇宙膨胀速度并不一致，这似乎暗示了标准宇宙学模型（LCDM宇宙学模型）的局限性。

动力学暗能量
今年，DESI（暗能量光谱巡天）合作组发布的最新观测表明，暗能量或许并非固定不变的真空能量，而是会随着宇宙的演化而改变，支持动力学暗能量的统计显著性达到了2.8σ到4.2σ之间（天文学中公认的发现标准为5σ）。如果这一发现被证实，宇宙学常数作为暗能量的解释将被排除，这将颠覆现有的标准宇宙学模型（LCDM宇宙学模型），引发宇宙学理论的变革。
在“后哈勃”时代，更多的天文望远镜将会投入使用，比如将要发射的南希·格雷斯·罗曼太空望远镜，以及我国的巡天空间望远镜；同时，引力波、中微子等多信使天文学的发展，也拓宽了人类探索宇宙的渠道。相信随着人类孜孜不倦地求知与探索，宇宙的谜团终将被揭晓。宇宙学的未来将何去何从？让我们拭目以待……
出品：科普中国
作者：孟哲、颜瑞珏（北京师范大学物理与天文学院博士研究生）
监制：中国科普博览

walysj

以前看科幻总好奇宇宙边界，原来膨胀才是关键，科学真奇妙！

wakeman

为什么银河系不膨胀

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