如果宇宙在膨脹，我們也在膨脹嗎？

上個世紀最革命性的發現之一是，宇宙不是永遠靜止不變的，而是在不斷發展的過程中處於活躍狀態。大約138億年前，在熾熱的大爆炸的最早階段，我們可觀察到的宇宙還不到一個城市街區的大小，甚至可能只有足球那麼小。今天，它在各個方向上的延伸超過460億光年。如果宇宙正在膨脹，那麼這對於其中的物體意味著什麼？ 星系正在膨脹嗎？ 那麼恆星、行星、人類甚至原子本身呢？

這是一個很深奧的問題，它的答案可能不是你所期望的。

當愛因斯坦首次提出相對論時，它永遠改變了我們對時空的看法。空間並非像三維網格那樣固定，任何兩點之間的距離都是公認的。時間也不是一個連續不斷的實體，您可以在其中同步時鐘，將時鐘移到任意位置，並確信自己的時鐘讀數與其他人一樣。相反，我們將空間和時間視為相對的：您在空間中的運動會影響您在時間中的運動，反之亦然。

這是狹義相對論背後的核心思想，這使我們拋棄了我們關於「絕對空間」和「絕對時間」的舊思想，取而代之的是時空概念。根據愛因斯坦的定律，當您相對於另一個觀察者在太空中移動時，您的時鐘似乎以不同的方式運行。相對論對於所有觀察者來說都是靜止的還是運動的，它都非常適合，並且代表了我們對牛頓原始運動定律的理解的巨大飛躍。

但是，儘管這個想法很棒，但並不包含引力。牛頓的引力理論只將距離和時間的絕對概念聯繫在一起，而沒有將時空的概念融入其中。愛因斯坦用了十多年的時間將引力帶入了其中，使我們從狹義相對論轉向了廣義相對論：將物質和能量納入方程。

物質和能量的存在代替了狹義相對論的平坦時空，而是使時空成為動態實體。宇宙不再局限於靜態，它可以根據其中的內容進行膨脹或收縮。物質和能量告訴時空如何彎曲，而彎曲的時空決定了物質和能量的移動方式。

這種關係最早是在100多年前提出的，已經通過大量的實驗和觀察進行了檢驗，愛因斯坦的理論與實驗和觀察相吻合。廣義相對論不僅適用於我們在地球和太陽系其他地方發現的引力，而且適用於巨大宇宙尺度：星系、星系團、甚至整個宇宙本身。

最後一部分特別令人著迷：如果我們採用一個平均（均勻）充滿物質和/或能量（包括不同形式的物質和/或能量的組合）的宇宙，那麼宇宙必須是膨脹或收縮的。即使它在一開始就不能保持靜態超過一瞬間。1922年，亞歷山大·弗裡德曼（Alexander Friedmann）證明了這一點，它源於愛因斯坦的理論，即弗裡德曼方程：控制宇宙膨脹的方程。

第二年，埃德溫·哈勃（Edwin Hubble）測量了距仙女座星系（Andromeda）的距離，確定該「螺旋星雲」實際上是其自身的星系，其位置超出了銀河系的範圍。隨後，我們測量了到大量星系的距離，同時還獨立獲得了來自它們的光的測量結果。我們發現了以下內容。

• 星系越遠，它的光越紅。
• 即使距離更遙遠的星系中的恆星平均而言比我們在附近星系中看到的恆星在本質上「更藍」，這也是事實。
• 對此的解釋與這樣的想法是一致的：宇宙膨脹後，由星系發出的頻率和波長與我們自己的銀河中所發射的光具有相同頻率和波長的光一致。

諸如「疲倦的光」之類的替代性解釋與觀察結果不同，僅保留了那些包括不斷膨脹的宇宙在內的解釋。綜上所述，沒有一個無法迴避的結論：宇宙本身正在膨脹，而膨脹是觀察到的來自遠處的光的紅移的原因。

圖註：這個簡化的動畫顯示了在不斷膨脹的宇宙中，光如何發生紅移以及未綁定對象之間的距離如何隨時間變化。請注意，這些物體的開始距離比光在它們之間傳播所花費的時間更近，由於空間的擴大，光會發生紅移，並且兩個星系的距離比交換的光子所走的光旅行路徑遠得多。

儘管許多流行的概念將不斷膨脹的宇宙顯示為氣球狀，但這種類比有其缺陷。首先，我們的宇宙具有三個維度的空間（一個時間構成了一個三維時空），而不是兩個。氣球具有有意義的「中心」，將空氣注入其中會導致二維表面膨脹。相反，我們的宇宙沒有明確定義的中心，但是根據愛因斯坦的相對論，它取決於觀察者。

取而代之的是，也許最好的比喻是麵團中放有葡萄乾的發酵球：葡萄乾麵包。如果您將這個麵團團想像成（我們的三維）空間的結構，而將葡萄乾想像成其中的物體，則可以將任何「葡萄乾」識別為自己：觀察者。從您的角度來看，葡萄乾似乎會遠離您，而距離較近的葡萄乾則顯得更快，更嚴重。實際上，葡萄乾本身並沒有相對於它們佔據的空間移動，而是葡萄乾之間的空間在擴大，導致它們發出的光在到達我們的眼睛之前發生紅移。

但是葡萄乾本身代表的物體呢？它們內部的空間也會擴大嗎？我們可以進行計算以確定該膨脹將是什麼樣。

圖註：膨脹宇宙的"葡萄乾麵包"模型，相對距離隨著空間（麵團）的擴大而增加。請注意，葡萄乾本身沒有膨脹，只有麵團是。然而，個別葡萄乾似乎會遠離所有其他葡萄乾取決於它們之間的距離。

當我們測量時，即使是在我們目前仍在爭論的情況下，宇宙的膨脹率大約為70 km / s / Mpc，這意味著對於每兆兆秒的距離，「葡萄乾」是以70 km / s的速度後退。不幸的是，兆帕秒是巨大的：大約330萬光年。如果我們將其縮小到地球的大小（大約12700公裡），那麼我們期望地球以每秒0.1毫米的速度膨脹。隨著時間的流逝，這將大大增加，我們會注意到。

我們的詳細測量顯示，至少在地球上，物體沒有膨脹。即使宇宙的尺度巨大，行星及其上的物體相對較小，也可以做一些實驗來證明。LIGO引力波探測器對距離變化敏感，其距離寬度小於質子寬度的0.1%。量子力學實驗可以測量原子的特性，精確到十億分之一的精度，可以比幾十年甚至一個世紀前的更精確。答案是肯定的，我們知道：地球和地球上的原子都不會隨著時間而以這種方式改變。

如果您考慮正在膨脹的宇宙所對抗的東西是什麼：實際就是力。 一方面，我們在對象之間具有作用力：電磁、引力或您要考慮的任何其他基本作用力。如果宇宙根本沒有膨脹，那麼您只需了解正在發揮作用的物理力和動力學，就可以計算出任何東西的大小——原子、地球、星系，星系團等。

在這些系統中，實際上，在任何受約束的系統中（無論受其約束的力量如何），所涉及的力會導致動力學的幅度大於膨脹的宇宙所能引起的幅度。可以很好地說明物理學家經常說的話：這只是綁定對象之間膨脹的空間。對於綁定對象本身，作用力使原本正在膨脹的宇宙的動力學無法承受，並且克服了擴展。

但這並不意味著正在膨脹的宇宙根本沒有發揮任何作用。如果我們在原本為空的、不膨脹的宇宙中考慮點質量，則該點質量將表現為不帶電，不旋轉的黑洞：史瓦西（Schwarzschild）黑洞。會有一個固定半徑的事件範圍：史瓦西（Schwarzschild）半徑，它僅由其質量確定。但是，如果您添加其他成分，例如一點暗能量（或宇宙常數），這是我們現實的宇宙中存在的一種能量形式，則事物會以微小但重要的方式發生變化。

向外的「推動」會導致宇宙在事件視界之外膨脹，但也會導致事件視界的位置稍微超出其在原本為空的宇宙中的位置。這種差異非常微小，對於我們宇宙中發現的能量和質量的實際值是無法察覺的，但它說明了一個觀點：宇宙的膨脹確實會影響其中的物體，但這是通過改變其「平衡」的值來實現的，而不是通過使其膨脹來實現。

我們仍然不知道地球上的空間（從原子中的空間到行星周圍的空間，再到整個銀河系的空間）是否正在影響其中的物體大小的平衡值。我們按原樣測量物體，並且由於宇宙膨脹而產生的任何差異均不會影響我們以能夠測量物體的精度進行測量的物體。膨脹的宇宙的影響只會在您可能認為的過渡區域中開始出現：在結構的郊區，該結構非常靠近受約束與不受約束的邊界。

但是我們可以確定，原子、人類、行星、恆星和星系不會隨著宇宙的膨脹而膨脹。膨脹（或收縮）的宇宙對已綁定結構的唯一影響是稍微改變其大小：通過膨脹空間所帶來的附加影響來增加（或減小）它的大小。正如天體物理學家凱蒂·麥克（Katie Mack）所說的那樣：

「宇宙正在膨脹您的思維方式。它沒有膨脹到任何東西；你只是變得不那麼密集了。」