宇宙學中你需要知道的五件事情

小時候，我非常喜歡天文學，對宇宙的各種現象很著迷，看過很多關於宇宙學的書。我也一直認為我會朝著這個方向去努力，但種種原因，原因種種，到現在，也隻是個愛好者。關於宇宙的探究，我最喜歡的一段視頻是《旅行到宇宙邊緣（下面有視頻）》。如果你也喜歡抬頭思考問題，那麼不妨科普一下，這是來自“科學松鼠會”的一篇文章：宇宙學中你需要知道的五件事情。

你一直在被哈勃定律所困擾嗎？一直在為大爆炸而困惑嗎？讓我們重新審視一下這些問題，尋找這些宇宙學中重大問題的解答。

宇宙學的目的是瞭解宇宙的起源和演化，單從這一點就能看出它的雄心勃勃。近一個世紀前，天文學傢發現絕大多數的星系正在遠離我們，並由此揭示出瞭一 個讓人驚駭的事實——我們的宇宙正在膨脹。幾十年前，天文學傢意識到，天空中充滿瞭宇宙形成之後不久光子所發出的微弱射電波。幾年前，專門用來探測這一宇 宙微波背景的威爾金森微波各向異性探測器（WMAP）則又發現瞭強有力的證據，證明我們的宇宙在極早期經歷過一個超高速膨脹的“暴漲”階段。

[圖片說明]：WMAP探測到的宇宙微波背景輻射。圖中的不同顏色代表瞭溫度在2.725開上下十萬分之一的波動。版權：NASA。

有些人認為現如今的宇宙學正處於“黃金時代”。然而，相對於它不斷所取得的進展，一些宇宙學中最基本的概念卻讓人難以把握。這裡列舉出五件宇宙學中最讓人困擾的事情，它們或許是普通人想要理解宇宙學傢們目前所做的最大障礙。

一、如果遙遠的星系都在離我們而去，這是否意味著我們就處在宇宙的中心？

用一個字回答：不。

20世紀20年代，美國威爾遜天文臺的埃德溫·哈勃（Edwin Hubble）和米爾頓·赫馬森（Milton Humason）發現，除瞭距離最近的星系之外，其他的星系都在遠離我們而去。此外他們還發現，距離越遠的星系其退行的速度越快。但是，這些星系的退行運 動並不是穿行於宇宙空間之中的，而是宇宙空間自身的整體膨脹。星系隻不過是搭瞭個便車而已。

1916年，德國理論物理學傢阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）發表瞭他的廣義相對論。這一理論拓展瞭他早先的想法，囊括瞭引力對空間的形狀以及時間流逝的影響。一年之後，荷蘭天文學傢威廉·德西特 （Willem de Sitter）使用愛因斯坦的理論證明，一個幾近真空的宇宙必定會膨脹。哈勃認為，他所看到的星系退行現象正是一個由“德西特空間”所組成的宇宙的如實表 現。

在膨脹的宇宙中傳播的光線會被拉伸。光子會損失能量，因此譜線的位置會向長波（紅光）段移動。同時，超新星爆發的信號也會被拉伸。遙遠星系中的超新 星會比近距星系中的持續更長時間，而且距離越遠持續的時間就越長。這就意味著宇宙空間自身也在膨脹。被鑲嵌在宇宙空間中的星系在跟隨空間一起遠離其他的天 體。

天文學傢通常會使用氣球來比喻膨脹的宇宙。氣球表面的圖案代表星系。對氣球充氣就相當於宇宙的膨脹，這時氣球表面每個圖案之間的距離就會變大。不幸的是，絕大多數人試圖把這一類比推向另一個極端，詢問氣球的中心是什麼。

[圖片說明]：宇宙膨脹是宇宙空間自身的膨脹。版權：Astronomy/Roen Kelly。

必須要明白的是，這本質上是一個二維的實驗。在一張白紙上畫許多的點，然後在一張透明片上把剛才的畫放大再畫一遍。將兩者重疊起來，並且任取一點作 為參考點。“無論這個點在哪兒，每個點上的‘觀測者’都會看到其他點在離他/她而去，”美國加州大學歐文分校的阿薩塔·庫雷（Asantha Cooray）解釋說，“這正是宇宙中的每個星系所正在發生的。”

另一個想象宇宙膨脹的途徑是把它看成是一個葡萄幹面包。當面包（宇宙空間）膨脹的時候，每顆葡萄幹（星系）都會看到其他的葡萄幹在遠離自己而去。而 這些葡萄幹自身並沒有改變，變化的是它們所處的空間。同時，每顆葡萄幹也都是等價的，因為所有葡萄幹都在遠離它。美國宇航局戈達德航天中心的宇宙學傢、 2006年諾貝爾獎得主約翰·馬瑟（John Mather）說：“你所要做的就是想象一個空間，這個空間中的所有東西都在和它一起膨脹。”

宇宙學傢假設，在足夠大的距離上——遠大於星系團的尺度，無論觀測者身處何處，他/她所看到的宇宙都是相同的。在愛因斯坦的相對論中，它認為對於任 何物理相互作用而言，不存在優越的參考系。上面的論斷是對相對論的一種推廣。科學傢們把這一假設稱為“宇宙學原理”，並且一直在檢驗它。到目前為止，它看 起來依然是對宇宙非常好的一種近似。