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– 你很膨胀啊,我都撵不上你 – 没办法,谁让我是宇宙呢


作者:Ethan Siegel

翻译:山寺小沙弥

审校:yangfz

- 你很膨胀啊,我都撵不上你 - 没办法,谁让我是宇宙呢

宇宙中遥远处的星系以极高的速度远离我们,在这个距离处,星系的数量非常多,规模较小,演化程度不高,与我们附近的星系相比,出现了巨大的红移。

来源: NASA, ESA, R. Windhorst and H. Yan

当我们望向无边无际的宇宙时,我们可以在数百万甚至是数十亿光年范围内找到各种各样的星系。人们可能能观察到两万亿个星系,宇宙中星系的数量、规模远远超乎人类的想象。然而,最令人费解的一个事实是,我们观察到的所有星系,都遵循一个相同的规则:离地球越远的星系,以更快的速度远离地球,使两者的距离越变越远。这个发现是由哈勃和他的合作者于 20 世纪 20 年代发现的,这个发现使我们能够绘制宇宙膨胀的蓝图。宇宙膨胀是什么呢?科学家们也许都知道,但是读完这篇文章之后你也会知道!

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我们看的越远,说明我们看到了更远的过去。当只有当广义相对论适用于宇宙膨胀时才成立。

来源:Wikipedia user Pablo Carlos Budassi

1.宇宙能膨胀成什么呢?这个问题问得似乎很合理,因为所有膨胀的区域都是由宇宙中的物质构成的,并且存在于宇宙的时间和空间里。但宇宙本身就是时间和空间,它包含了所有的物质和能量。当我们说“宇宙在膨胀”时,我们的意思是宇宙空间在膨胀,这就使得我们看到星系和星系群相互之间慢慢远离。我有一个生动的例子,可以用来描述宇宙膨胀:把葡萄干放进生面团里,然后放进烤箱里烤,随着面团膨胀,葡萄干会慢慢的散开,分布于整个面包的各个地方。

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宇宙膨胀的“葡萄干面包”模型,葡萄干的相对距离随着空间(面团)的膨胀而增加。

来源:NASA / WMAP Science Team

这时候面团相当于宇宙空间,葡萄干相当于星系和星系群,从任意一粒葡萄干的角度出发,其他的葡萄干都在远离它,而且离它越远的,远离的速度越快。当然,在现实宇宙的情况里,那里没有烤箱,也没有面团外面的空气,只有面团(空间)和葡萄干(物质)。

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并不是简单的星系移动造成了红移,而是我们与星系之间的空间在膨胀导致了红移。

来源:Larry McNish of RASC Calgary Center

2.我们怎么会知道是宇宙的空间膨胀呢?为什么不可能是不同的星系以不同的速度运动呢?如果你看到物体在各个方向远离你,这可能是因为你和这些物体之间的空间正在扩大,这是一种可能性。还有一种可能:你身处爆炸中心附近,周围的物体离你越来越远,因为它们从爆炸中获得了能量。如果后一种可能性是真的,那么此时应有两个明显的证据:

(1)远处和运动速度高的星系应该会比较少,因为随着时间的推移,这些星系会在空间中更容易扩散开。

(2)距离远的地方的红移应该遵循某种特殊的形式,而这种特殊的形式和空间膨胀造成的红移有很大的差别。

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只有运动引起的红移(虚线)和广义相对论预测的空间膨胀引起的红移之间的对比(实线)。广义相对论的预测符合我们的观测结果。

来源:Wikimedia Commons user Redshiftimprove

当我们观察距离我们很远的地方的时候,我们发现在遥远的宇宙中,星系的密度比我们周围的星系密度大。这与宇宙空间膨胀的图像十分吻合,因为当我们把目光放到远处时,也就意味着看到了过去(光的传播需要时间),由于宇宙一直在膨胀,所以那个地方的星系密度自然会比较大。我们还发现,遥远星系的红移和宇宙膨胀引起的红移的形式一致,与我们上文的第二种可能中提到的所谓星系移动引起的红移大相径庭。因此,这个问题可以从上述两个方面解释,而这两种解释都支持了第一种可能性。

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距离与膨胀速度的关系。过去的膨胀速度较高,现在宇宙仍然在膨胀着。它们之间不是线性关系,意味着膨胀速度会随着时间变化。

来源:Ned Wright, based on the latest data from Betoule et al. (2014)

3.宇宙总是以相同的速度膨胀吗?我们将其称之为哈勃常数,它只是宇宙空间的常数,但如果考虑了时间,它就不算一个真正意义上的常数。此时此刻,宇宙膨胀的速度比以往任何时候都要慢。当我们提到“膨胀率”的时候,指的是速度与距离存在一定的关系:现如今,这个速度约为 70 公里 / 秒 / Mpc(“Mpc”指的是百万秒差距,长度单位,约为 326 万光年)。膨胀率取决于宇宙中所有不同事物的密度,包括物质和辐射。随着宇宙的膨胀,其内部的物质和辐射的密度会慢慢减小,随着物质和辐射密度的减小,膨胀速度也在下降。宇宙在过去膨胀的更快,自热大爆炸后,宇宙膨胀才渐渐放慢了脚步。哈勃常数其实不是常数,将其成为哈勃参数可能更加合适。

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宇宙的未来有很多的可能性,如果暗能量真的如数据所显示的那样,是一个常数的话,未来宇宙的发展将如图中红线所示。

来源:NASA / GSFC

4.宇宙会一直膨胀下去吗?还是有一天它会停止膨胀,甚至是坍缩?对于几代人来说,这是宇宙学和天体物理学的神圣问题之一, 它只能通过确定宇宙的膨胀速度以及它所呈现的所有不同类型 (和数量) 的能量来回答。我们现在已经成功地测量出了宇宙中有多少正常物质,辐射,中微子,暗物质和暗能量,以及宇宙的膨胀率。结合物理定律和过去发生的事来看,宇宙可能会一直膨胀下去。这可能不是 100%确定的,如果暗能量在未来的行为与过去和现在不同的话,那么我们所有的结论都将被改写。

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红移,光线在膨胀的宇宙中是如何传播的。

5.星系的移动速度是否比光速还要快,不是说物体的运动速度不可能超过光速吗?从我们的角度来看,我们和空间中任意一点的空间都在膨胀,离我们越远的星系,似乎以更快的速度远离我们。即使膨胀率很小,只要乘以足够大的距离,远离我们的物体的速度也会超过光速,速度之大远远超乎我们的想象。这样的情况并不违背相对论,物体的运动速度不能超过光速只适用于物体在空间中运动,它不能约束空间的膨胀速度。实际上,星系本身的移动速度只有数百或者数千 km/s,远低于光速的 3.0x108km/s。星系移动只是表面现象,宇宙空间膨胀才是根源所在。

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在可观测的宇宙内(图中黄圈内),有大约 2 万亿个星系。由于宇宙的膨胀,我们只能探索其中 3%的星系。

来源:Wikimedia Commons users Azcolvin 429 and Frédéric MICHEL / E. Siegel

根据广义相对论,宇宙中存在着物质和能量是宇宙膨胀的必然结果。只要有物质,就有引力,要么引力胜过膨胀,一切就会坍缩在一起;要么膨胀胜过引力,宇宙就会膨胀。宇宙没有以某点为中心向外膨胀,宇宙的膨胀也不会让宇宙膨胀到所谓的“宇宙之外”,宇宙中任何一个地方都在无时无刻地膨胀着。最令人意想不到的是,即使我们以光速飞离地球,也只能到达我们可观测宇宙中 3%的星系,另外的 97%已经超出了我们的掌控范围。宇宙很复杂,但至少你已经知道这 5 个问题的答案,而这几个问题,经常会被误解。

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