138億歲的宇宙，為啥能看到465億光年外？是它“作弊”了，還是我們算錯了？

先秦典籍《尸子》中有云：“四方上下曰宇，往古來今曰宙。”寥寥數語精辟地闡釋了“宇宙”一詞的含義：它是所有時間與空間及其內涵的總和。隨著現代科學的發展，人們對宇宙的認識有了長足的進展。然而，時間、空間依然是宇宙學研究中亙古不變的核心議題。

宇宙學家告訴我們：宇宙的年齡是138億年，可觀測宇宙的半徑是465億光年（光年是光在真空中一年所走的距離）。根據相對論理論，光速是宇宙中物質運動速度的上限，也是宇宙中信息傳遞速度的上限。那么，在宇宙演化的整個歷史內，光所能走過的最遠距離也不過138億光年，為何可觀測宇宙的半徑卻達到了驚人的465億光年呢？

可觀測宇宙（圖片來源：維基百科）

是宇宙學家說錯了嗎？或是相對論的理論錯了嗎？

都不是。

原因就在于，我們的宇宙空間并非不變的，而是一直在膨脹！

Part.1

哈勃定律：宇宙膨脹的“偵探線索”

20世紀20年代末，美國天文學家埃德溫·哈勃有一個驚人發現：遙遠的星系都在遠離我們而去。這種星系逐漸遠離我們的運動，被稱之為星系的“退行”運動。而且，距離我們越遠的星系，其退行的速率越大，退行速率與星系離我們的距離成正比，其比例系數就是著名的哈勃常數。

這一定律最初是由哈勃通過分析星系的光譜得到的。哈勃發現，來自遙遠星系的光到達地球時其波長會變長。根據我們熟悉的多普勒紅移，如果光源在遠離我們，我們觀測到的來自光源的光波長會變長。那么，哈勃的這一發現可以用多普勒紅移來解釋嗎？

答案是否定的。

首先，在理論上這將導致嚴重的矛盾：當我們考慮足夠遠的星系，我們會發現星系遠離的速率將會超過光速，這與相對論原理相違背；并且，地球似乎成了所有星系退行的中心，這與宇宙學原理——宇宙在大尺度上是均勻且各向同性的——相違背。

其次，天文觀測發現：Ⅰa型超新星光變曲線表明宇宙中存在著時間膨脹效應，這種時間膨脹效應在宇宙深處是無法用多普勒紅移來解釋的；另外，紅移–距離關系在高紅移處明顯偏離多普勒曲線。因此，這種波長變長的現象并不能用多普勒紅移來解釋。

為了解釋哈勃所發現的波長變長現象，我們需要打破原有的靜態宇宙的觀念。接下來，我們將從膨脹的宇宙中尋求答案。

Part.2

宇宙膨脹：空間的動態“拉伸”

在討論膨脹的宇宙之前，我們先了解一下靜態宇宙的概念。所謂靜態宇宙，指的是我們先驗地將宇宙的空間認為是不變的，于是可以形象地用一個固定的網格來刻畫，這個網格可以看成是星系運動的舞臺。星系的退行運動被詮釋為星系在網格中的移動，進而產生了多普勒紅移。也就是說，前文所述，地球處于退行中心以及超光速所帶來的理論困境，都是在假定了靜態宇宙時空背景的前提之下產生的。

靜態宇宙示意圖（圖片來源：作者自制）

然而，宇宙空間并非靜態的，而是在不斷膨脹的。刻畫宇宙空間的網格也不再固定，而是隨著宇宙的膨脹被不斷拉伸。星系的退行運動被重新詮釋：星系被固定在網格上，隨著網格的拉伸（即宇宙膨脹）而遠離我們。在這種詮釋下，星系退行運動不再面臨理論上的困境。

首先，地球不再處于退行中心——在網格上相距越遠的星系隨著網格的拉伸，其相互遠離的速度也就越大，不存在所謂退行中心的特殊位置。

其次，退行速率超過光速不再是問題——退行速率僅代表宇宙膨脹（網格拉伸）的速率，而非星系的運動速率（在網格中的移動速率），更不會存在信息傳遞超光速的問題，相對論中的光速不變原理得以保持。

膨脹宇宙示意圖（圖片來源：作者自制）

值得注意的是，在網格拉伸過程中，星系并未在網格中移動，于是這不會產生多普勒紅移。那么哈勃觀測到的紅移現象究竟是如何發生的呢？這是因為，宇宙空間的膨脹會自然地產生另一種紅移機制——宇宙學紅移。如前文所述，宇宙膨脹過程中，刻畫宇宙空間的網格被拉伸，那么在網格中運動的光波長也會隨之被拉長，這便是宇宙學紅移。換言之，宇宙學紅移并非由于星系在宇宙空間中的穿行運動而引起，而是由于空間本身的膨脹而引起。經過大量的天文觀測和理論計算，科學家們發現，由宇宙膨脹導致的宇宙學紅移理論可以很好地解釋哈勃所發現的波長變長現象。因此，哈勃定律實際上是宇宙膨脹的體現。

宇宙學紅移示意圖（圖片來源：作者自制）

至此，我們借助拉伸網格的方式建立了對宇宙膨脹的直觀理解。在此基礎上，我們進一步對“距離”概念做一個澄清。前文所述及的所有距離——如隨著網格拉伸而變大的星系距離——都是指物理距離，即實際測得星系距離我們有多遠。然而，在拉伸網格的過程中，星系在網格上的位置并沒有改變，即星系與我們之間的“格點數”并沒有改變，這個“格點數”在物理上被抽象為另一種距離——共動距離。共動距離是排除了宇宙膨脹效應的距離，與物理距離隨著宇宙膨脹增大不同，共動距離在宇宙膨脹中保持不變。物理距離與共動距離之比是一個隨時間而變大的量，這個量被稱為“尺度因子”，它體現了宇宙的膨脹。在后文中我們將看到，尺度因子對于計算可觀測宇宙半徑具有重要意義。

Part.3

宇宙年齡與可觀測宇宙半徑：

解開“465億光年”之謎

宇宙年齡可以根據哈勃定律簡單估算。若近似認為星系以勻速率退行，那么星系退行到當前其所在位置所需的時間就是哈勃常數的倒數，由此可以得到宇宙的年齡約為138億年。

值得注意的是，哈勃“常數”并非真正的常數，而是一個隨著宇宙演化而變化的量，我們所說的哈勃常數僅代表當前時刻星系與我們的距離和退行速率之間的一般關系。

如果我們的宇宙是靜態的，那么根據宇宙的年齡是138億年，我們所能接收到的最早的一束光應當是與我們相距138億光年處的星系發出的，在這種情況下，可觀測宇宙的半徑是138億光年。然而，我們的宇宙被證實是膨脹的，這意味著，這束古老光芒的發出者，已經隨著宇宙的膨脹退行到了更遙遠的位置。于是，在我們的宇宙中，可觀測宇宙的半徑可以遠遠大于138億光年。

從理論上講，宇宙演化的總時間以及在這段時間內宇宙的膨脹程度，共同決定了可觀測宇宙半徑的大小。我們已經知道宇宙演化的總時間約為138億年。宇宙膨脹程度是由前文所述的尺度因子來衡量，尺度因子的演化通過測定宇宙中各物質組分的比例經由宇宙學中的弗里德曼方程得出。結合現代天文學與宇宙學的觀測數據，可以計算得出可觀測宇宙半徑約為465億光年。

由此可見，138億年的宇宙年齡與465億光年的可觀測宇宙半徑之間并無矛盾，而是宇宙膨脹的必然結果。這正是現代宇宙學對宇宙演化的關鍵認知。

Part.4

宇宙膨脹的“幕后推手”：暴脹與暗能量

我們已經知道，可觀測宇宙的邊界隨宇宙的膨脹而被拉伸，在138億年的宇宙年齡內已被拉伸至465億光年。那么，宇宙膨脹的動力從何而來？

宇宙膨脹的初始動力來自暴脹。現代宇宙學理論表明，在宇宙極早期（約大爆炸后秒內），宇宙經歷了一次極其快速的、指數級的膨脹階段。如果把宇宙最初想象成一根被壓縮的彈簧，那么暴脹就像是彈簧被突然釋放的過程，彈簧的勢能快速轉化為動能，并推動宇宙的膨脹。暴脹不僅提供了宇宙膨脹的初始動力，還提供了宇宙中物質演化的初始條件——如原初密度擾動。這些原初密度漲落的痕跡保留在宇宙微波背景輻射（CMB）的溫度漲落中，并被天文觀測所發現，成為支持暴脹理論的關鍵證據。

宇宙膨脹的持續動力來自暗能量。我們知道，萬有引力表現出普遍吸引的效果，那么在暴脹結束之后，宇宙的膨脹似乎應當是減速的。然而，在1998年，科學家們通過觀測Ⅰa型超新星的亮度發現：宇宙膨脹非但沒有減速，反而在加速！為了解釋宇宙的加速膨脹，科學家們提出了“暗能量”的概念。暗能量充斥在全宇宙空間中，是一種具有負壓強的能量形式，可以推動空間不斷加速膨脹。

宇宙膨脹歷史（圖片來源：維基百科）

Part.5

探索宇宙的新紀元：“后哈勃”時代

1990年，為了紀念埃德溫·哈勃在發現宇宙膨脹中所做出的重要貢獻，以其名字命名的哈勃空間望遠鏡(Hubble Space Telescope, HST)升空。在這30年來，哈勃空間望遠鏡在幫助人類探索宇宙中做出了重要貢獻。在前文提及的哈勃常數測量、宇宙年齡估算以及宇宙加速膨脹的發現等方面，哈勃空間望遠鏡都立下了汗馬功勞。

如今，隨著天文觀測手段的不斷進步，人類已經進入探索宇宙的新紀元：“后哈勃”時代。2021年，詹姆斯·韋布空間望遠鏡(James Webb Space Telescope, JWST)成功升空，標志著這一新時代的到來。在“后哈勃”時代，人類對宇宙膨脹的認識將會進一步加深。

1.哈勃常數危機

在宇宙學中，主要有兩類精確測量哈勃常數的手段，一是在低紅移處（較近處）直接測量宇宙的膨脹速度，二是在高紅移處（較遠處）測量宇宙早期的行為來推測哈勃常數。前者如宇宙距離階梯法，后者如宇宙微波背景輻射法。然而，這兩種方法給出的哈勃常數存在顯著差異，且隨著觀測技術的進步，這個差異越來越大。這說明科學家根據標準宇宙學模型推測出來的宇宙膨脹速度，與當前測得的宇宙膨脹速度并不一致，這似乎暗示了標準宇宙學模型（LCDM宇宙學模型）的局限性。

2.動力學暗能量

今年，DESI（暗能量光譜巡天）合作組發布的最新觀測表明，暗能量或許并非固定不變的真空能量，而是會隨著宇宙的演化而改變，支持動力學暗能量的統計顯著性達到了2.8σ到4.2σ之間（天文學中公認的發現標準為5σ）。如果這一發現被證實，宇宙學常數作為暗能量的解釋將被排除，這將顛覆現有的標準宇宙學模型（LCDM宇宙學模型），引發宇宙學理論的變革。

在“后哈勃”時代，更多的天文望遠鏡將會投入使用，比如將要發射的南希·格雷斯·羅曼太空望遠鏡，以及我國的巡天空間望遠鏡；同時，引力波、中微子等多信使天文學的發展，也拓寬了人類探索宇宙的渠道。相信隨著人類孜孜不倦地求知與探索，宇宙的謎團終將被揭曉。宇宙學的未來將何去何從？讓我們拭目以待……

出品：科普中國

作者：孟哲、顏瑞玨

監制：中國科普博覽

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