這個簡版動畫展示了在不斷膨脹的宇宙中，光的紅移以及無束縛物體之間的距離會如何隨時間發生變化。注意：兩個物體開始時的距離要小于光在它們之間傳播的時間（光年數）；光的紅移是由于空間的膨脹；這兩個星系之間的距離比光子在它們之間交換時的光旅行路徑要遠得多

　　可觀測宇宙的對數尺度概念圖。隨著距離的增大，星系讓位于大尺度結構和宇宙大爆炸時產生的熱而稠密的等離子體。圖中的“邊緣”只是時間上的邊界

　　新浪科技訊 北京時間9月30日消息，據國外媒體報道，宇宙只有138億年的歷史，但我們卻可以看到461億光年以外的物體，這是為什么呢？膨脹的宇宙將告訴我們答案。

　　無論朝宇宙的哪個方向看去，你的視線最終都會遇上某種物質或輻射。在太陽系中，除了我們所處的地球，還有其他行星和衛星，以及由巖石、冰塊組成的小行星和彗星，塵埃和等離子體粒子更是無處不在，已經滲透到了我們生活的環境中。在太陽系之外，是遍布銀河系的恒星、氣體和塵埃。將目光放得更遠，在更大的宇宙距離之外，便會遇到其他星系、類星體和星系際介質中的物質。如果你選擇的視線設法避開了所有這些，你仍然會遇到一些神秘的東西：宇宙微波背景輻射，這被認為是大爆炸早期階段遺留下來的輻射。

　　然而，無論在任何方向上進行觀察，我們所看到的物體都具有兩個屬性：

　　1。 我們看到的物體并不是它現在的樣子，而是有限時間以前的樣子：它當時發出的光線被現在的我們接收到了。

　　2。 這個物體目前與我們的距離是確定的；換言之，如果我們能以某種方式“凍結”時間，測量我們與該物體之間的距離，那就會得到一個確定的值。

　　我們經常把空間想象成一個三維網格，而在思考時空概念時，這是一個依賴于框架的過度簡化模型。事實上，時空因物質和能量的存在而扭曲，距離也不是固定的，而是會隨著宇宙的膨脹或收縮而演變

　　你可能認為這兩個性質——時間和距離——可以等同起來。某顆恒星發出的光經過10年的旅程到達了地球，那它就應該在10光年之外；某個星系的光經過1億年的旅程后到達地球，那它就應該在1億光年之外；宇宙大爆炸發出的光經過138億年的旅程到達地球，那么這些光發出的位置就應該在138億光年之外。

　　然而，現實根本不是如此，而這一切要歸結于膨脹的宇宙。

　　我們的腦海中都有一條根深蒂固的物理學定律：宇宙中存在一個速度極限，即光速，沒有任何東西能比光速更快。如果你是一個完全無質量的實體，就像光子或膠子，那你絕對必須以光速運動，因為其他速度是不可能的。然而，如果你具有一個正的、非零的質量，那你只能接近光速，但永遠達不到；你必須總是比光走得慢。

　　很顯然，如果某個物體在任意位置發出一束光，那這束光只能直接遠離發出其光源。一秒后，光將離光源299792.458公里，即1光秒；一年后，光離光源的距離將達到9.46萬億公里，也就是一光年；10億年后，光與它發出的位置將有10億光年的距離。

　　這類計算是合理的、直接的和直觀的。根據狹義相對論，這些結果也是絕對正確的。然而，我們的宇宙并不受狹義相對論的支配，而是有著它自有的規律。

　　三角形的內角和大小取決于當前的空間曲率。在正曲（上）、負曲（中）或平坦（下）的宇宙中，三角形的內角和將分別為大于、小于或等于180°

　　事實上，上述分析所適用的情況要求空間具備兩個特殊的性質——但實際并不具備。首先，空間必須平坦的，就像一個三維的歐幾里得網格。任何一般空間都可以定義平坦性，而判斷空間是否平坦的方法是選擇3個點，然后畫3條線把它們連接起來，形成一個三角形；接著，將剛才畫的三角形的3個內角加起來，與在一張平面紙上畫一個三角形的結果（180°）作比較。

　　正如不是所有的紙都是“平的”且角度之和為180度，所有的空間也不都是平坦的。如果在地球儀上畫一個三角形，你會發現其內角和總是大于180°；三角形越大，偏離180°的幅度越大。同樣地，如果在馬鞍上畫一個三角形，你會發現其內角和總是小于180°。宇宙并不像一張紙。由于物質和能量的存在，空間結構會發生扭曲，這取決于物質和能量——尤其是質量——的分布。

　　但比這種扭曲更重要的是，空間的結構不是靜態的。這不僅僅體現在直觀意義上，你不能只簡單地說，“質量移動，質量決定空間如何扭曲，因此空間曲率改變”。這種說法雖然沒錯，但宇宙中還有一些更深刻的事情正在發生。根據愛因斯坦的廣義相對論——也是我們常用的關于萬有引力的理論——一個充滿物質和能量的宇宙不可能是靜態和穩定的。如果你以靜態開始一個宇宙，并簡單地讓它隨著時間的推移而受引力作用，那它就不會保持靜態；相反，它會坍塌，很快整個宇宙就會終結，不可避免地形成一個黑洞。

　　我們的宇宙顯然沒有發生這種情況，而這是有原因的。如果將物質和能量均勻地填充到宇宙中，那它將要么膨脹，要么收縮；任意兩個相距較遠的點之間的距離也將隨時間而改變。我們無法知道，第一原理（在物理學中指從基本的物理學定律出發，不外加假設與經驗擬合的推導與計算）中哪一個會最終描述我們的宇宙，就像你無法知道4的平方根是+2還是-2一樣。對于我們所處的宇宙，膨脹和收縮都是數學上允許的解，而我們必須對宇宙本身進行測量，以確定哪個解才是正在發生的過程。

　　空間并不是一個虛空的三維網格，當放入一個質量時，便會導致“直線”發生特定程度的彎曲。在廣義相對論中，我們把空間和時間看成是連續的。然而，所有形式的能量，包括但不限于質量，都對時空曲率有貢獻。此外，由于宇宙在膨脹，未受束縛的物體之間的距離會隨著時間推移而變化

　　解決這個問題的一些關鍵觀測結果可以追溯到20世紀10年代和20年代。事實上，是以下三項觀測的結合才最終使這個難題得以解決。

　　（1）亨麗愛塔·勒維特對造父變星的研究，發現了這類恒星從最大亮度到最低亮度，再回到本身固有亮度所需的時間周期。

　　（2）維斯托·斯里弗關于星系紅移的研究，他測量了天空中大量的螺旋星系和橢圓星系，并根據發射和吸收譜線的移動，確定了它們朝我們移動或遠離我們的速度。

　　（3）埃德溫·哈勃的工作，在米爾頓·哈馬森的協助下，他在這些螺旋星系和橢圓星系中測量了單個造父變星。

　　早在1917年，維斯托·斯里弗就首次注意到，我們觀察到的一些物體顯示出特定原子、離子或分子吸收或發射時的光譜特征，并且會有規律地向光譜的紅端或藍端移動。與哈勃的距離測量結果結合分析后，這些數據帶來了關于宇宙膨脹的最初概念：星系距離我們越遠，其發出的光紅移增加的比例就越大

　　結合所有這些屬性，我們就可以確定地球到螺旋星系或橢圓星系的距離，并推斷出的這些星系的運動。將這些數據——無論是最初的還是現代的——放在一起，可以得出一個明確的結論：物體距離我們越遠，其光譜紅移增加的比例就越大，而且似乎越來越遠離我們。換句話說，宇宙無疑在不斷膨脹。

　　這一結論對靜態宇宙的概念有重大的啟示。如果宇宙是靜態的，那么光經過一定距離——從發射源到觀測者——所用的時間將完全等于從年到光年的轉換。因為光必須以光速傳播，所以今天到達我們眼睛的光：

　　·如果來自1光年外的物體，那就要花1年的時間；

　　·如果來自100萬光年外的物體，那就要花100萬年的時間；

　　·如果來自100億光年外的物體，那就要花上100億年的時間。

　　1929年，埃德溫·哈勃發表了對宇宙膨脹的最初觀測結果，隨后其他研究者的觀測更為詳細，但同樣不確定。哈勃的圖表清晰地顯示了紅移與距離的關系，其數據優于之前的研究者和競爭對手；現代的觀測數據已經精確得多

　　以此類推。這也意味著，如果我們的宇宙只有138億年——自宇宙大爆炸發生至今的時間——那我們所能見到的最遙遠的光必須歷經138億年的時間，其旅行距離也必須為138億光年。這與狹義相對論中所用的時空工具“光錐”是吻合的，光錐內部的所有點都與我們存在因果聯系，意味著它發出的信號可以影響我們（或者我們的信號可以影響它），但光錐外部的一切就都無法建立因果聯系，意味著沒有信號可以交換。

　　然而，我們實際生活的場景——一個不斷膨脹的宇宙——改變了一切。我們不應該把空間看成是一個散布著各種物體的網格，而應該看成一個“內含葡萄干的發酵面團”。隨著時間的推移，空間結構不斷膨脹，就像面團膨脹一樣，盡管葡萄干本身并不隨著面團的膨脹而膨脹，但它們彼此之間的距離卻變得越來越遠。

　　事實上，如果你把自己想象成面團中的一顆葡萄干，你會注意到附近的葡萄干似乎只是很緩慢地遠離你，因為在你和它們之間只有少量的發酵面團；然而，如果你和另一個葡萄干之間的距離越大，你們之間的面團越多，發酵所導致的結果就越明顯：在相同時間內，你們的相對距離會增加得更大。

　　每一粒這樣的葡萄干都可以代表宇宙中一個受自引力束縛的體系，就像我們所處的本星系群（包括銀河系在內的一群星系）。類似的還有室女座星系團、獅子座星系群、后發星系團，等等。它們自身受到引力的束縛，不會膨脹，但彼此之間沒有束縛的結構則會膨脹開來——就像面團球里的各個葡萄干互相遠離一樣。

　　光錐的一個例子，可以將其視為所有可能到達和離開時空中的一個點的光線所組成的三維表面。你在空間中移動得越多，在時間中就移動得越少，反之亦然。只有在宇宙既不膨脹也不收縮的情況下，關聯空間和時間的線才會是直線

　　這意味著，在我們所處的銀河系或本星系群中，宇宙的膨脹是完全可以忽略不計的。只有在更大的宇宙尺度上，宇宙的膨脹才會變得明顯。在這樣的宇宙尺度下，我們觀察到的物體可能在一個更大的結構中相互約束，但沒有和我們處于同一個結構中。“運動中的質量”確實會產生影響，也會改變時空曲率，但這些影響通常都很小——大約只會影響千分之一的距離變化。

　　在談論我們與本星系群中其他物體的宇宙距離時，一個物體到我們的距離（以光年為單位）和光從那個物體到我們眼睛所花的年數是等效的，天文學家稱之為“回溯時間”。只要宇宙的膨脹可以忽略不計，用光速除以物體的距離就能獲得精確度達99.9%的回溯時間。

　　但在更大的宇宙尺度上，一些復雜得多的事情正在發生。當光線從更遙遠的物體——比如本星系群外的星系或類星體——射向我們時，就會發生以下過程：

　　·光以光速從遠處的物體發射出來；

　　·當光通過星系際空間向目的地行進時，光源物體和最終將吸收光的物體之間的距離會繼續增加；

　　·隨著光繼續它的旅程，不斷膨脹的宇宙拉伸了光的波長，導致其波長增加，也就是我們所觀察到的紅移；

　　·同時，光源物體與最終吸收光的物體之間的距離也在不斷增加。

　　這是膨脹宇宙的葡萄干面團模型，物體（葡萄干）的相對距離會隨著空間（面團）的膨脹而增加。兩個物體之間的距離越遠，在接收到光線時，所觀測到的紅移就越大。膨脹宇宙所預測的紅移-距離關系在觀測中得到了證實，并且與自20世紀20年代以來所取得的認識一致

　　結果，當光最終到達地球時，發射體和吸收體之間的原始距離會遠小于當前的距離。與此同時，如果將回溯時間乘以光速，就會得到一個中間距離：比原來的距離大，但比現在的距離小。這就是宇宙年齡（從大爆炸開始測量）和距離最遠的可視物體（對應它們與我們今天的距離）之間出現矛盾的原因。

　　也許更令人驚訝的是，這種回溯時間和我們與遙遠物體當前距離之間的差異，只有在大的宇宙尺度上才有重要的意義。我們夜空中最顯眼的星系——包括仙女座星系、風車星系、波德星系和草帽星系等——看起來就像是“數百萬年前”的樣子，與它們與我們的距離（以光年為單位）相符。這些星系的光經過1億年的旅程，到達了如今1.01億光年的距離，這樣的差異堪稱微小。

　　然而，在非常大的距離下，膨脹的宇宙便開始施加一些重要的影響：

　　·來自10億年前的光對應目前距離我們10.36億光年的物體；

　　·來自50億年前的光對應目前60.87億光年之外的物體；

　　·來自100億年前的光對應目前距離我們160.3億光年的物體；

　　·來自137.8億年前的光對應目前416億光年之外的物體。

　　星系離我們越遠，其遠離我們的速度就越快，所發出的光就會出現越大的紅移。今天，一個隨著宇宙膨脹而移動的星系與我們的距離（以光年為單位）甚至大于它發出的光到達我們所需要的年數（乘以光速）

　　這并不是說我們在空間中看到的要比我們在時間上看到的更加久遠。相反，空間和時間是相關的，宇宙正在膨脹，而這種膨脹的效應是累積的，并且影響著穿越宇宙的光在其旅程中的每一步。傳播時間越長的光被拉伸的幅度越大，而因為宇宙在膨脹，發出光的物體現在也處于更大的距離上。換言之，由于宇宙的膨脹，我們可以精確地看到461億光年之外的物體。

　　無論時間過去多久，我們能觀察到的物體和我們可能接觸到的物體永遠都是有限的。只要空間和時間被愛因斯坦的相對論聯系在一起，這些極限就永遠不會被打破。（任天）