我们能在空间中看到比在时间中更久远的东西吗？

这个简版动画展示了在不断膨胀的宇宙中，光的红移以及无束缚物体之间的距离会如何随时间发生变化。注意：两个物体开始时的距离要小于光在它们之间传播的时间（光年数）；光的红移是由于空间的膨胀；这两个星系之间的距离比光子在它们之间交换时的光旅行路径要远得多

可观测宇宙的对数尺度概念图。随着距离的增大，星系让位于大尺度结构和宇宙大爆炸时产生的热而稠密的等离子体。图中的“边缘”只是时间上的边界

无论朝宇宙的哪个方向看去，你的视线最终都会遇上某种物质或辐射。在太阳系中，除了我们所处的地球，还有其他行星和卫星，以及由岩石、冰块组成的小行星和彗星，尘埃和等离子体粒子更是无处不在，已经渗透到了我们生活的环境中。在太阳系之外，是遍布银河系的恒星、气体和尘埃。将目光放得更远，在更大的宇宙距离之外，便会遇到其他星系、类星体和星系际介质中的物质。如果你选择的视线设法避开了所有这些，你仍然会遇到一些神秘的东西：宇宙微波背景辐射，这被认为是大爆炸早期阶段遗留下来的辐射。

然而，无论在任何方向上进行观察，我们所看到的物体都具有两个属性：

1。 我们看到的物体并不是它现在的样子，而是有限时间以前的样子：它当时发出的光线被现在的我们接收到了。

2。 这个物体目前与我们的距离是确定的；换言之，如果我们能以某种方式“冻结”时间，测量我们与该物体之间的距离，那就会得到一个确定的值。

你可能认为这两个性质——时间和距离——可以等同起来。某颗恒星发出的光经过10年的旅程到达了地球，那它就应该在10光年之外；某个星系的光经过1亿年的旅程后到达地球，那它就应该在1亿光年之外；宇宙大爆炸发出的光经过138亿年的旅程到达地球，那么这些光发出的位置就应该在138亿光年之外。

然而，现实根本不是如此，而这一切要归结于膨胀的宇宙。

我们的脑海中都有一条根深蒂固的物理学定律：宇宙中存在一个速度极限，即光速，没有任何东西能比光速更快。如果你是一个完全无质量的实体，就像光子或胶子，那你绝对必须以光速运动，因为其他速度是不可能的。然而，如果你具有一个正的、非零的质量，那你只能接近光速，但永远达不到；你必须总是比光走得慢。

很显然，如果某个物体在任意位置发出一束光，那这束光只能直接远离发出其光源。一秒后，光将离光源299792.458公里，即1光秒；一年后，光离光源的距离将达到9.46万亿公里，也就是一光年；10亿年后，光与它发出的位置将有10亿光年的距离。

这类计算是合理的、直接的和直观的。根据狭义相对论，这些结果也是绝对正确的。然而，我们的宇宙并不受狭义相对论的支配，而是有着它自有的规律。

三角形的内角和大小取决于当前的空间曲率。在正曲（上）、负曲（中）或平坦（下）的宇宙中，三角形的内角和将分别为大于、小于或等于180°

事实上，上述分析所适用的情况要求空间具备两个特殊的性质——但实际并不具备。首先，空间必须平坦的，就像一个三维的欧几里得网格。任何一般空间都可以定义平坦性，而判断空间是否平坦的方法是选择3个点，然后画3条线把它们连接起来，形成一个三角形；接着，将刚才画的三角形的3个内角加起来，与在一张平面纸上画一个三角形的结果（180°）作比较。

正如不是所有的纸都是“平的”且角度之和为180度，所有的空间也不都是平坦的。如果在地球仪上画一个三角形，你会发现其内角和总是大于180°；三角形越大，偏离180°的幅度越大。同样地，如果在马鞍上画一个三角形，你会发现其内角和总是小于180°。宇宙并不像一张纸。由于物质和能量的存在，空间结构会发生扭曲，这取决于物质和能量——尤其是质量——的分布。

但比这种扭曲更重要的是，空间的结构不是静态的。这不仅仅体现在直观意义上，你不能只简单地说，“质量移动，质量决定空间如何扭曲，因此空间曲率改变”。这种说法虽然没错，但宇宙中还有一些更深刻的事情正在发生。根据爱因斯坦的广义相对论——也是我们常用的关于万有引力的理论——一个充满物质和能量的宇宙不可能是静态和稳定的。如果你以静态开始一个宇宙，并简单地让它随着时间的推移而受引力作用，那它就不会保持静态；相反，它会坍塌，很快整个宇宙就会终结，不可避免地形成一个黑洞。

我们的宇宙显然没有发生这种情况，而这是有原因的。如果将物质和能量均匀地填充到宇宙中，那它将要么膨胀，要么收缩；任意两个相距较远的点之间的距离也将随时间而改变。我们无法知道，第一原理（在物理学中指从基本的物理学定律出发，不外加假设与经验拟合的推导与计算）中哪一个会最终描述我们的宇宙，就像你无法知道4的平方根是+2还是-2一样。对于我们所处的宇宙，膨胀和收缩都是数学上允许的解，而我们必须对宇宙本身进行测量，以确定哪个解才是正在发生的过程。

解决这个问题的一些关键观测结果可以追溯到20世纪10年代和20年代。事实上，是以下三项观测的结合才最终使这个难题得以解决。

（1）亨丽爱塔·勒维特对造父变星的研究，发现了这类恒星从最大亮度到最低亮度，再回到本身固有亮度所需的时间周期。

（2）维斯托·斯里弗关于星系红移的研究，他测量了天空中大量的螺旋星系和椭圆星系，并根据发射和吸收谱线的移动，确定了它们朝我们移动或远离我们的速度。

（3）埃德温·哈勃的工作，在米尔顿·哈马森的协助下，他在这些螺旋星系和椭圆星系中测量了单个造父变星。

早在1917年，维斯托·斯里弗就首次注意到，我们观察到的一些物体显示出特定原子、离子或分子吸收或发射时的光谱特征，并且会有规律地向光谱的红端或蓝端移动。与哈勃的距离测量结果结合分析后，这些数据带来了关于宇宙膨胀的最初概念：星系距离我们越远，其发出的光红移增加的比例就越大

结合所有这些属性，我们就可以确定地球到螺旋星系或椭圆星系的距离，并推断出的这些星系的运动。将这些数据——无论是最初的还是现代的——放在一起，可以得出一个明确的结论：物体距离我们越远，其光谱红移增加的比例就越大，而且似乎越来越远离我们。换句话说，宇宙无疑在不断膨胀。

这一结论对静态宇宙的概念有重大的启示。如果宇宙是静态的，那么光经过一定距离——从发射源到观测者——所用的时间将完全等于从年到光年的转换。因为光必须以光速传播，所以今天到达我们眼睛的光：

·如果来自1光年外的物体，那就要花1年的时间；

·如果来自100万光年外的物体，那就要花100万年的时间；

·如果来自100亿光年外的物体，那就要花上100亿年的时间。

1929年，埃德温·哈勃发表了对宇宙膨胀的最初观测结果，随后其他研究者的观测更为详细，但同样不确定。哈勃的图表清晰地显示了红移与距离的关系，其数据优于之前的研究者和竞争对手；现代的观测数据已经精确得多

以此类推。这也意味着，如果我们的宇宙只有138亿年——自宇宙大爆炸发生至今的时间——那我们所能见到的最遥远的光必须历经138亿年的时间，其旅行距离也必须为138亿光年。这与狭义相对论中所用的时空工具“光锥”是吻合的，光锥内部的所有点都与我们存在因果联系，意味着它发出的信号可以影响我们（或者我们的信号可以影响它），但光锥外部的一切就都无法建立因果联系，意味着没有信号可以交换。

然而，我们实际生活的场景——一个不断膨胀的宇宙——改变了一切。我们不应该把空间看成是一个散布着各种物体的网格，而应该看成一个“内含葡萄干的发酵面团”。随着时间的推移，空间结构不断膨胀，就像面团膨胀一样，尽管葡萄干本身并不随着面团的膨胀而膨胀，但它们彼此之间的距离却变得越来越远。

事实上，如果你把自己想象成面团中的一颗葡萄干，你会注意到附近的葡萄干似乎只是很缓慢地远离你，因为在你和它们之间只有少量的发酵面团；然而，如果你和另一个葡萄干之间的距离越大，你们之间的面团越多，发酵所导致的结果就越明显：在相同时间内，你们的相对距离会增加得更大。

每一粒这样的葡萄干都可以代表宇宙中一个受自引力束缚的体系，就像我们所处的本星系群（包括银河系在内的一群星系）。类似的还有室女座星系团、狮子座星系群、后发星系团，等等。它们自身受到引力的束缚，不会膨胀，但彼此之间没有束缚的结构则会膨胀开来——就像面团球里的各个葡萄干互相远离一样。

光锥的一个例子，可以将其视为所有可能到达和离开时空中的一个点的光线所组成的三维表面。你在空间中移动得越多，在时间中就移动得越少，反之亦然。只有在宇宙既不膨胀也不收缩的情况下，关联空间和时间的线才会是直线

这意味着，在我们所处的银河系或本星系群中，宇宙的膨胀是完全可以忽略不计的。只有在更大的宇宙尺度上，宇宙的膨胀才会变得明显。在这样的宇宙尺度下，我们观察到的物体可能在一个更大的结构中相互约束，但没有和我们处于同一个结构中。“运动中的质量”确实会产生影响，也会改变时空曲率，但这些影响通常都很小——大约只会影响千分之一的距离变化。

在谈论我们与本星系群中其他物体的宇宙距离时，一个物体到我们的距离（以光年为单位）和光从那个物体到我们眼睛所花的年数是等效的，天文学家称之为“回溯时间”。只要宇宙的膨胀可以忽略不计，用光速除以物体的距离就能获得精确度达99.9%的回溯时间。

但在更大的宇宙尺度上，一些复杂得多的事情正在发生。当光线从更遥远的物体——比如本星系群外的星系或类星体——射向我们时，就会发生以下过程：

·光以光速从远处的物体发射出来；

·当光通过星系际空间向目的地行进时，光源物体和最终将吸收光的物体之间的距离会继续增加；

·随着光继续它的旅程，不断膨胀的宇宙拉伸了光的波长，导致其波长增加，也就是我们所观察到的红移；

·同时，光源物体与最终吸收光的物体之间的距离也在不断增加。

这是膨胀宇宙的葡萄干面团模型，物体（葡萄干）的相对距离会随着空间（面团）的膨胀而增加。两个物体之间的距离越远，在接收到光线时，所观测到的红移就越大。膨胀宇宙所预测的红移-距离关系在观测中得到了证实，并且与自20世纪20年代以来所取得的认识一致

结果，当光最终到达地球时，发射体和吸收体之间的原始距离会远小于当前的距离。与此同时，如果将回溯时间乘以光速，就会得到一个中间距离：比原来的距离大，但比现在的距离小。这就是宇宙年龄（从大爆炸开始测量）和距离最远的可视物体（对应它们与我们今天的距离）之间出现矛盾的原因。

也许更令人惊讶的是，这种回溯时间和我们与遥远物体当前距离之间的差异，只有在大的宇宙尺度上才有重要的意义。我们夜空中最显眼的星系——包括仙女座星系、风车星系、波德星系和草帽星系等——看起来就像是“数百万年前”的样子，与它们与我们的距离（以光年为单位）相符。这些星系的光经过1亿年的旅程，到达了如今1.01亿光年的距离，这样的差异堪称微小。

然而，在非常大的距离下，膨胀的宇宙便开始施加一些重要的影响：

·来自10亿年前的光对应目前距离我们10.36亿光年的物体；

·来自50亿年前的光对应目前60.87亿光年之外的物体；

·来自100亿年前的光对应目前距离我们160.3亿光年的物体；

·来自137.8亿年前的光对应目前416亿光年之外的物体。

星系离我们越远，其远离我们的速度就越快，所发出的光就会出现越大的红移。今天，一个随着宇宙膨胀而移动的星系与我们的距离（以光年为单位）甚至大于它发出的光到达我们所需要的年数（乘以光速）

这并不是说我们在空间中看到的要比我们在时间上看到的更加久远。相反，空间和时间是相关的，宇宙正在膨胀，而这种膨胀的效应是累积的，并且影响着穿越宇宙的光在其旅程中的每一步。传播时间越长的光被拉伸的幅度越大，而因为宇宙在膨胀，发出光的物体现在也处于更大的距离上。换言之，由于宇宙的膨胀，我们可以精确地看到461亿光年之外的物体。

无论时间过去多久，我们能观察到的物体和我们可能接触到的物体永远都是有限的。只要空间和时间被爱因斯坦的相对论联系在一起，这些极限就永远不会被打破。（任天）