讲道理，我们如何得知宇宙正在膨胀？当天文学家把望远镜指向太空的时候

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当天文学家把望远镜指向太空的时候，他们惊奇的发现无论朝哪个方向看过去，都有大量的天体在远离我们。这个事实说明了什么？我们正在排斥其它的天体？空间本身在扩大？我们正处于宇宙过去一次爆炸的中心？

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这些选项看上去都说得过去，但是天文学家说"宇宙正在膨胀"，而没有选择其它的理由。这是为什么？我想大部分的人都会有类似的疑问。

其实宇宙本身就告诉了我们答案。

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首先我们要提到爱因斯坦的广义相对论，它阐明了时空、物质与能量之间的关系，也是目前在宇宙学研究里面应用的最广泛的理论。根据广义相对论，物质和能量确定了时空如何弯曲; 而时空告诉物质如何运动。如果我们知道宇宙中每个时刻的物质和能量是如何分布的，并且我们也知道物质和能量正在如何移动，那么我们可以重建出宇宙历史里，时空是如何弯曲和演化的。

最靠近的星系由其临近的星系的引力动力学所支配。例如，我们所在的银河系和仙女座正在相互靠近，而本星系团中的其它星系最终也会与银河系合并。在这之外，星系被引力拉扯，向其它附近的大质量靠拢，例如大型的星系，星系团和星系群。在任何相对较小，也就是在几百万或数千万光年的空间区域内，质量决定了里面的星系如何运动。

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但是在更大的尺度上，运动看起来却完全不一样。这些被称为本动速度的小尺度运动可能会让天体运动的速度上升到几千公里每秒，但是它们同时被叠加在一个更大的效应上。只有当你开始观察更大的尺度时，才能看到，星系离我们越远，它看起来离开我们的速度越快。

这个经验规律被称为哈勃定律，其简单地表明，星系的表观退行速度与它离我们的距离成正比，对应的比例系数称为哈勃常数，目前的测量值约为每百万秒差距每秒70公里。秒差距是一个天文学上常用的距离单位，一个秒差距等于3.26光年。

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为什么会出现这样的现象？

其实，当爱因斯坦提出他的广义相对论时，他很快就意识到：一个物质分布具有各向同性的宇宙是引力不稳定的，它会最终坍塌到一起。爱因斯坦解决这个问题的方法是构造一个无形的向外推力，以防止这种坍塌的发生，这是宇宙常数。如果广义相对论方程里面没有这个宇宙常数，那么将不会得到一个稳恒的宇宙，空间本身的结构会随着时间的推移要么扩大要么缩小。

即使如此，爱因斯坦的解决方案也不好。他的宇宙常数会导致不稳定的宇宙：一些过密的地方会坍缩，而那些不够密的地方会以失控的方式扩散。只要遵守广义相对论定律的宇宙充满了物质，它就不能简单地拥有静态时空。

当我们看着我们所处的宇宙的时候，我们看到它看起来既是均匀的，又是各向同性的。这两个属性非常重要，因为它们告诉我们两件重要的事情：均匀性意味着宇宙中到处都是一样的，各向同性则意味着宇宙在所有方向都是相同的。综合起来，这两个属性告诉我们，无论你走到哪里，或者看着什么方向，宇宙里面的物质和能量几乎是均匀分布的。再加上遥远的星系看起来退行得更快，留给我们的解释不多了。

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可能的解释包括下面这些：

1. 这些遥远星系的光线在太空中传播时变得"疲倦"并失去能量；

2. 源于星系的快速运动，随着时间的推移，快速移动的星系越来越远；

3. 原初的爆炸使得一些星系离我们更远；

4. 空间本身的结构在扩大。

然而，只有最后一个选项得到了全部数据的检验，这些数据支持广义相对论以及观测到的所有星系的分布和性质。

早在二十世纪三十年代的时候，这个解释就变得非常显然了：事实上，宇宙正在扩张，没有第二种选项。事实上，无论天体距离我们多远，观测到的红移与距离关系和观测的膨胀速度相匹配，有助于证实这一点。

但是还有更多的证据。如果宇宙实际上在扩张，那么我们可以期望看到很多东西。我们会看到，我们对宇宙看得越远，就越能看到宇宙的遥远过去，而那是宇宙中的质量更加密集。我们将会看到，聚集在一起的星系的距离比今天更近。我们会看到来自天体的黑体辐射的光谱仍然是黑体光谱，无论其能量如何移动。我们可以看到，当时宇宙微波背景辐射的温度比目前的2.7开尔文要高。

所有这些证据加起来，告诉我们宇宙正在膨胀。这是遥远星系视觉退行的原因。空间本身正在扩大，我们可以看到的宇宙部分在变得越来越大。尽管大爆炸发生仅138亿年，但今天我们能看到的最远的天体距离我们460亿光年。

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在这之外还有什么？我们几乎可以肯定，那里有更多的"宇宙"。不可观测的宇宙可能是有限的或无限的，但我们无从知道。即使它已经是无限的，它仍然可以扩大！随着宇宙的膨胀，你只需将它的大小乘以一个"增长因子"，所以如果它从有限的开始，它仍然是有限的（但是更大），并且如果它从无限开始，它仍然是无限的。天文学家仍然在研究这个膨胀的宇宙，它的命运也和人类的命运息息相关。