隨著宇宙的膨脹，太空真的會延展嗎？

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自人類首次就我們的宇宙得出革命性結論以來，已經快一百年了：空間本身並不是靜止不變的，而是隨著時間的推移而演變的。愛因斯坦廣義相對論最令人不安的預測之一是，只要宇宙均勻地充滿一種或多種能量，任何宇宙都不會隨著時間的流逝而保持不變。取而代之的是，它必須要麼膨脹要麼收縮，最初是由三個獨立的人獨立地衍生出來的：亞曆山大·弗裏德曼（1922），喬治·勒邁特（1927），霍華德·羅伯遜（1929），然後由亞瑟·沃克（Arthur Walker）（1936）推廣。

同時，觀察開始顯示我們天空中的螺旋形和橢圓形是星系。通過這些新的、功能更強大的測量，我們可以確定星系離我們越遠，與發出該光的時間相比，到達我們眼睛的光發生紅移或波長更長的數量就越大。

但是，在此過程中，空間結構本身到底發生了什麼？空間本身是否正在延申，它是不是變得越來越薄？是否正在不斷創造更多空間，好像它正在“填補”膨脹所創造的空白？這是現代天體物理學中最難理解的事情之一，但是如果我們認真考慮一下，我們可以全力以赴。讓我們探索發生了什麼。

您首先要了解的是廣義相對論的作用。廣義相對論的核心是一個框架，該框架將可能顯然不相關的兩件事聯系起來：

整個宇宙中存在的能量的數量、分布和類型（包括物質，反物質，暗物質，輻射，中微子以及您可以想象的任何其他事物），以及潛在時空的幾何形狀，包括它是否彎曲以及如何彎曲以及是否以及如何演化。

如果宇宙根本沒有任何東西，無論是任何形式的能量，您都會得到平直的、不變的牛頓空間，直覺上就習慣了：靜態，不變和不變。

相反，如果您在宇宙中放下一個點質量，則會得到一個彎曲的空間：史瓦西（Schwarzschild）空間。您放入宇宙中的任何“測試粒子”都將被迫沿著特定的軌跡流向該質量。

而且，如果您使它稍微複雜一點，則通過放下也會旋轉的點質量，您將獲得以更複雜的方式彎曲的空間：根據Kerr指標的規則。它具有事件視界，但不是點狀奇點，而是將奇點膨脹為圓形的一維環。同樣，您放下的任何“測試粒子”都將遵循由潛在的空間曲率布置的軌跡。

但是，這些時空是靜態的，因為您可能會包括的任何距離標度（例如事件範圍的大小）都不會隨時間變化。如果您以這個時空走出宇宙然後晚一點回來，無論是一秒鐘，一小時還是十億年後，它的結構將是相同的，而與時間無關。但是，在這樣的時空中，並沒有擴展。在此時空內，任何一點之間的距離或光旅行時間都沒有改變。這些“模型宇宙”內部只有一個（或更少）個能源，卻沒有其他形式的能量，實際上是靜態的。

但是，當您不放下孤立的質量或能量來源，而是當您的宇宙到處充滿“東西”時，這是完全不同的遊戲。實際上，我們通常假定的兩個標准（各向同性和同質性）已通過大規模觀測得到了強有力的驗證。各向同性告訴我們，宇宙在各個方向上都是相同的：在我們所觀察的宇宙尺度上，沒有一個“方向”看起來與其他任何方向都有特別的不同或偏愛。另一方面，同質性告訴我們，宇宙在所有位置都是相同的：在最大尺度上，存在相同的密度、溫度和膨脹率，優於99.99％的精度。

在這種情況下，如果您的宇宙均勻地充滿某種能量（或多種不同類型的能量），則廣義相對論的規則告訴我們該宇宙將如何演化。實際上，支配它的方程式被稱為弗裏德曼方程式：亞曆山大·弗裏德曼（Alexander Friedmann）一直追溯到1922年，也就是一年之前，我們發現天空中的螺旋線實際上是銀河系之外的星系！

您的宇宙必須根據這些方程式進行膨脹或收縮，這就是數學告訴我們必須發生的事情。

但這到底是什麼意思？

您會發現，空間本身並不是直接可測量的。並不是您可以出去占用一些空間並對其進行實驗。相反，我們所能做的是觀察空間對可觀察事物（例如物質，反物質和光）的影響，然後使用該信息找出底層空間本身在做什麼。

例如，如果我們回到黑洞示例（盡管它適用於任何質量），我們可以計算出黑洞附近空間彎曲的嚴重程度。如果黑洞正在旋轉，我們可以計算出由於角動量的影響，空間與黑洞一起被“拖曳”的程度。然後，如果我們測量在這些物體附近的物體發生了什麼，我們可以將我們所看到的與廣義相對論的預測進行比較。換句話說，我們可以看到空間是否按照愛因斯坦理論告訴我們的方式扭曲。

而且，這樣做的精度達到了令人難以置信的水平。進入極度扭曲的區域時，淡藍移，離開時則發生紅移。這種引力紅移已針對繞黑洞運行的恒星，從地球引力場垂直傳播的光，從太陽發出的光，甚至穿過正在成長的星系團的光進行了測量。

同樣，引力時間膨脹，大質量天體將光扭曲以及從行星軌道到發送到太空的旋轉球體的一切進動都與愛因斯坦的預言證明了驚人的一致性。

但是宇宙的膨脹呢？當您考慮一個膨脹的宇宙時，您應該問的問題是：“宇宙中可測量的事物發生了什麼變化，可以觀察到？”畢竟，這就是我們可以預測的，這是可以物理觀察到的，並且可以使我們知道發生了什麼。

好吧，我們能看到的最簡單的東西就是密度。如果我們的宇宙充滿了“東西”，那麼隨著宇宙的膨脹，它的體積就會增加。

我們通常將物質視為我們正在考慮的“東西”。從最簡單的角度講，物質是存在於太空中的固定數量的大量“物質”。隨著宇宙的膨脹，“東西”的總量保持不變，但是“東西”所處的空間總量卻在增加。就物質而言，密度只是質量除以體積，因此，如果您的質量在體積增長時保持不變（或者對於原子之類的粒子，其數量保持不變），則密度應降低。當我們進行廣義相對論計算時，這正是我們所發現的。

但是，即使我們在宇宙中有多種類型的物質——正常物質、黑洞、暗物質、中微子等——並非宇宙中的所有“東西”都是物質。

例如，我們也有輻射：被量化為單個粒子，類似於物質，但質量很小，其能量由其波長定義。隨著宇宙的膨脹，以及光穿過不斷膨脹的宇宙，不僅體積增加，而粒子數量保持不變，而且每個輻射量子的波長都朝著光譜的紅端移動：波長越長。

同時，我們的宇宙還擁有暗能量，暗能量完全不是粒子形式，而是似乎是宇宙本身固有的能量。盡管我們不能像測量光子的波長和/或能量那樣直接測量暗能量，但是有一種方法可以推斷暗能量的價值和性質：通過精確地觀察來自遠處物體的光是如何紅移的。請記住，宇宙中不同形式的能量與膨脹率之間存在聯系。當我們測量整個宇宙時間內各種物體的距離和紅移時，它們可以告知我們暗能量的多少及其性質。我們發現，今天的宇宙大約是黑暗能量，並且暗能量的能量密度沒有改變：隨著宇宙的膨脹，能量密度保持恒定。

當我們將所擁有的所有不同數據源的完整圖片放在一起時，就會出現一個一致的圖片。今天，我們的宇宙正以大約70 km / s / Mpc的速度膨脹，這意味著，膨脹的宇宙造成相當於70公里/秒的衰退運動。

請注意，今天就是這樣。但是，通過尋找越來越遠的距離並測量那裏的紅移，我們可以了解過去的膨脹率是如何變化的，從而了解宇宙是由什麼構成的：不僅是今天，而且在歷史的任何時候。今天，我們的宇宙由以下幾種形式的能量組成：

約0.008％的光子形式的輻射或電磁輻射，約0.1％的中微子，現在的性質像物質，但在早期卻像輻射一樣，當它們的質量與它們擁有的（動能）量相比很小時，大約4.9％的正常物質，包括原子，等離子體，黑洞以及曾經由質子，中子或電子構成的所有物質，大約27％的暗物質，其性質仍然未知，但必須是巨大的，像物質一樣成團，成簇和引力約68％的暗能量，表現得好像是太空本身固有的能量。

如果我們根據今天的推論向後推算，我們可以了解在宇宙歷史的各個時期，什麼類型的能量主導著膨脹的宇宙。

非常重要的一點是，請注意，宇宙對這些不同形式的能量以根本不同的方式做出響應。當我們問：“空間在膨脹時在做什麼？”我們實際上是在問哪種空間描述對我們正在考慮的現象有意義。如果您考慮一個充滿輻射的宇宙，因為波長隨著宇宙的膨脹而延長，因此“空間延伸”的類比效果很好。如果宇宙收縮，那麼“空間壓縮”將解釋波長如何同樣好地縮短（和能量增加）。

另一方面，當某物伸展時，它變薄，就像當某物壓縮時，它變厚。對於輻射，這是合理的考慮，但對於暗能量或空間結構本身固有的任何形式的能量，則不是這樣。當我們考慮暗能量時，能量密度始終保持恒定。隨著宇宙的膨脹，它的體積在增加，而能量密度卻沒有改變，因此總能量在增加。好像是由於宇宙的擴張而創造了新的空間。

這兩種解釋都不能很好地發揮作用：一種是解釋輻射（和其他高能粒子）會發生什麼，另一種是解釋暗能量（以及任何其他空間的內在特性，或直接與空間耦合的量子場）會發生什麼。

與您可能想到的相反，空間不是可以以與對待粒子或其他形式的能量相同的方式對待某些物理物質。取而代之的是，空間只是背景，是一個舞台，如果您願意的話，是宇宙自身伸展的舞台。我們可以測量空間的性質，在廣義相對論的規則下，如果我們知道該空間中存在什麼，就可以預測空間將如何彎曲和演化。然後，該曲率和演化將確定存在的每個能量量子的未來軌跡。

盡管宇宙本身並沒有變薄，但我們宇宙中的輻射卻表現為空間在伸展。盡管我們無法測量發現此宇宙的一切，但我們宇宙中的暗能量的行為就像正在創造新的空間一樣。實際上，廣義相對論只能告訴我們空間如何表現，演化和影響其中的能量。它不能從根本上告訴我們實際的空間是什麼。在我們試圖理解宇宙的過程中，我們無法證明在可測量的事物之上添加無關的結構是合理的。空間既不會延伸也不會被創造，只是如此。至少，借助廣義相對論，即使我們無法確切地知道它的“含義”，我們也可以准確地了解它的“含義”。