宇宙一直快速膨胀, 可到底是什么在膨胀? 地球也在膨胀么? 有关宇宙万物的起源

傻大方提示您本文标题是：《宇宙一直快速膨胀, 可到底是什么在膨胀? 地球也在膨胀么?》。来源是宇宙的秘密。

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有关宇宙万物的起源，在历来的发现中，宇宙的膨胀也许是其中最重要的一项了。

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如果宇宙未曾膨胀，你就不会在这里看这篇文章，因为人类根本就不存在。从炽热的大爆炸所诞生的宇宙，若非经由膨胀而逐渐冷却，诸如生命和类地行星等由冷分子所构成的东西，就不可能形成。宇宙中所有结构的形成，从星系、恒星到行星，全都得仰赖宇宙的膨胀。

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在40多年前的那个7月，科学家宣布他们找到了确切的证据，可以证明宇宙是从一个高热、高密度的太初状态，逐渐膨胀而成。他们发现的是大爆炸冷却后的余晖:宇宙微波背景辐射。

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自此之后，宇宙的膨胀与冷却便成了宇宙学中的主要论点，就如同达尔文的演化论是生物学的主流思想一样。宇宙的膨胀就像达尔文的演化论，对于简单的结构如何逐步发展形成复杂的结构，提供了可循的脉络。没有了演化论和宇宙膨胀，现代生物学和宇宙学几乎就没什么意义可言了

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宇宙的膨胀和达尔文的演化论，还有着另一个古怪的相似处:大部分科学家都认为他们了解这个理论，可是对其真正的含义，却很少意见一致

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。在《物种起源》出版了一个半世纪后，生物学家还在争论达尔文主义的机制与含意(而不是实际内容)，而大多数人也还在为前达尔文时期的漫无头绪而焦躁彷徨。同样地，距离最初的发现已经80多年了，宇宙的膨胀还是广遭误解。曾经参与解释宇宙微波背景辐射的著名宇宙学家、美国普林斯顿大学的皮伯斯，在1993年写道:“这个图像(热大爆炸模型)的完整内容及深度，并不如我所以为的那样得到充分理解，即便是在某些对此思潮具有启发性贡献的人身上，也是一样。”

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“膨胀中的气球”对于要了解宇宙的膨胀来说，是个很好的比喻。在气球表面的星系，其实是静止的，但随着宇宙的膨胀，任两个星系间的距离却增加了。至于星系本身的大小则没有增加。

大爆炸是空间本身的爆炸，是我们所在的空间本身在膨胀。这种爆炸没有中心，且在各处发生。密度与压力到处都一样，因此并不像一般的爆炸是借由压力差来驱动。

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有声望的物理学家、天文学课本的作者，以及著名的科普专家，都曾对宇宙的膨胀做出不正确、误导的，或是容易遭到错误解读的陈述。由于膨胀是大爆炸模型的基础，这些其实都是对于基本原理的误解。膨胀是一种很容易让人接受的简单概念，但是当我们说宇宙正在膨胀时，真正的意思到底是什么?它要膨胀成什么样子?

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地球也在膨胀吗?更教人迷糊的是，现今宇宙的膨胀似乎正在加速之中，这真是让人连脑子也一起跟着膨胀。

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膨胀究竟是什么?

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当某个日常熟悉的物体扩张，如扭伤的脚踝、罗马帝国，或是一颗炸弹，是因为膨胀至周围的空间而变大。脚踝、帝国和炸弹都有中心和边界。在边界之外，有个空间可以让它膨胀。但宇宙似乎并没有什么边缘、中心，或宇宙之“外”可言，那么它要如何膨胀呢?

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一个很好的比喻是，想像你是一只蚂蚁，生活在一个膨胀中的气球表面。你的世界是二维的;你只知道前后、左右这几个方向而已，全然没有“上”和“下”的观念。一个工人某天忽然意识到，走去一个牧场挤奶的路途，怎么一天比一天远:某天要五分钟，第二天要六分钟，再过一天又变成七分钟。而且前往其他熟悉的地点，所需要的时间也在增加。你很确定你行走的速度没有变慢，也确定奶牛是一群群随处圈养的，它们并没有串通好要一起远离你。

这就是重点了:奶牛没有乱跑，可是要去挤奶的距离仍然不断增加。它们就站在那儿不动，对气球的橡皮表面而言，它们是静止的，可是你和它们的距离，以及它们彼此之间的距离，却因为气球的膨胀而增加。察觉到这些事实后，你推论出，原来是脚下踩的土地正在膨胀。这话说来很奇怪，因为你已经走遍你的世界，却从没发现有什么边界或是“世界之外”，可供你的世界向外膨胀。

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宇宙的膨胀和气球的膨胀很像。

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我们与遥远星系的距离正不断地增加。天文学家常会脱口而出，说遥远的星系正在“后退”或是“远离”我们，不过那些星系不是大炸弹爆炸所产生的碎片，它们并没有穿越空间而远离我们，而是星系和我们之间的空间在膨胀。个别星系在所属的星系团内随处移动，但星系团本质上是静止的。

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“静止”这个字眼可以严格地定义。充塞于宇宙中的微波背景辐射，就如同气球的橡皮表面一样，定义出一个普适的参考座标，相对于它的运动是可以测量的。

不过这个关于气球的比喻可别引申过头了。由气球外的我们看来，弯曲的二维橡皮面是因为摆在三维的空间中，才得以膨胀。

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在三维空间中，气球确实有个中心，而在它膨胀的时候，表面也是向周围的空间扩张出去的。所以有人也许会急着下断语说，我们所处的三维空间，要膨胀就要有第四个维度存在。不过在近代宇宙学的基础──爱因斯坦的广义相对论中，空间是动态的。它自己可以膨胀、收缩与弯曲，并不需要摆在一个更高维度的空间里。

在此意义之下，宇宙是自给自足的。它既不需要一个中心点，来让膨胀由此开始，也不需要有外部的空间(不管在哪里)，来容纳它的膨胀。当它膨胀时，并不必先要求周围要有尚未占满的空间。

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有些新潮的理论如弦论，的确假设了额外的维度，但是当我们的三维宇宙膨胀时，并不需要这些额外的维度供其扩张。

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到处存在的宇宙大塞车

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就像气球表面一样，在我们的宇宙里，所有的东西彼此都在远离。因此，大爆炸不能说是一种空间中的爆炸;它比较像是空间本身的爆炸。它并不是在某个特定的位置发生，然后在某个原来便存在的空间中散开。它是同时发生在每一个地方。

不妨想像一下，将时间的流向倒转，于是宇宙中的每块区域都越缩越小，所有星系越来越靠近，直到挤在一起，造成宇宙大塞车──这就回到了大爆炸。这种大塞车的比喻，也许会让你以为它是一种局部的拥塞，只要听收音机的路况报导就可以避得开。但是大爆炸是一种逃不开的塞车。它就像是把地球的表面和表面上的所有公路都同时缩小，但车子却保持原来的尺寸。

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最后，每条路上的车子都会头尾相接。没有任何的收音机广播可以帮助你绕过这种塞车。到处都塞成一团。

同样地，大爆炸到处都在发生──在此刻你阅读本文的房间里，在半人马座α星左侧的某块区域中，在每一个地方。它并不是一个从某特定点所爆发出来的炸弹，可让我们定出爆炸的中心。而在气球的比喻中也一样，气球表面并没有一个特别的位置是膨胀的中心。

不管宇宙有多大，也不管宇宙的大小是有限还是无限，大爆炸的遍存性都不受影响。

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宇宙学家有时会说，宇宙曾经只有一个葡萄柚那么小，但他们真正的意思是，宇宙中那个我们现在所能看得到的部分，也就是我们的可见宇宙，曾经只有葡萄柚般的大小。

译自Scientific American