宇宙膨胀

什么是宇宙膨胀？

宇宙膨胀是指宇宙中任意两点之间的距离随时间增加的现象。由 Edwin Hubble 于 1929 年首次发现，这种膨胀意味着星系正在相互远离，距离越远的星系退行速度越快。膨胀不是星系在空间中移动，而是空间本身在膨胀，带着星系一起运动。

哈勃定律与星系退行

线性关系：哈勃定律指出星系的退行速度 v 与其真实距离 d 成正比：v = H₀·d，其中 H₀ 是哈勃常数（约 70 km/s/Mpc）。
发现：Edwin Hubble 观察到遥远星系的光谱红移，表明它们正在远离我们，且红移随距离增加。
含义：这种关系表明宇宙在所有方向上均匀膨胀，膨胀没有中心。
测量：哈勃常数使用造父变星和 Ia 型超新星等标准烛光进行测量。

尺度因子 a(t)

尺度因子 a(t)：描述宇宙大小相对于今天（a₀ = 1）如何随时间变化。在过去，a < 1；在未来，a > 1。
红移 z：随着空间膨胀，光波长被拉伸：1 + z = 1/a。红移 z = 1 意味着当光发射时宇宙是现在大小的一半。
观测证据：遥远星系的红移和宇宙微波背景提供了膨胀的直接证据。
回溯时间：观测遥远物体就是回溯时间。我们看到的光是发射时宇宙的样子。

宇宙成分

暗能量（~68%）：导致加速膨胀的神秘能量。1998 年通过遥远的超新星发现。
暗物质（~27%）：影响星系旋转和结构形成的不可见物质。只能通过引力探测。
普通物质（~5%）：我们可以观察到的所有原子、恒星、星系、气体和尘埃。宇宙的大部分是不可见的！
辐射（<0.1%）：光子和中微子，在早期宇宙占主导地位，但现在可以忽略不计。

膨胀阶段

暴胀（10⁻³⁶ 到 10⁻³² 秒）：指数级膨胀约 10²⁶ 倍，解决了视界和平坦性问题。
辐射时代（到 47,000 年）：宇宙炽热且不透明；辐射主导能量密度。
物质时代（47,000 年到约 90 亿年）：物质主导；形成首批原子，然后是恒星和星系。
暗能量时代（约 90 亿年至今）：暗能量导致加速膨胀，星系形成减缓。

宇宙未来命运

大冻结（热寂）：最可能的情况。宇宙永远持续膨胀，星系漂离，恒星燃尽，熵达到最大值。宇宙变得寒冷、黑暗和空虚。
大撕裂：如果暗能量增强（幽灵能量），膨胀加速直到星系、恒星、原子，最后是时空本身被撕裂。
大挤压：如果物质主导，膨胀可能逆转，宇宙坍缩回奇点。鉴于观测到的加速膨胀，这不太可能。
大反弹：循环模型，坍缩导致新的大爆炸。理论上是可能的，但仍然是推测性的。

常见误解

膨胀中心：宇宙没有中心。每个点看到的星系退行都好像它是中心一样。膨胀同时发生在任何地方。
从一点爆炸：大爆炸不是空间中的爆炸，而是空间本身的膨胀。空间是在大爆炸中创造的。
星系移动：星系不会在空间中以超光速运动；它们之间的空间在膨胀。狭义相对论的速度限制适用于空间中的运动，而不是空间膨胀。
可观测宇宙：我们只能看到可观测宇宙（半径约 465 亿光年）。整个宇宙可能是无限的，或者比我们能看到的大得多。

历史背景

1915-1929 年：爱因斯坦的广义相对论允许膨胀宇宙，但他添加了宇宙常数以获得静态模型。Lemaitre 和 Friedmann 提出了膨胀解。
1929 年：Edwin Hubble 发现了退行速度与距离成正比，提供了膨胀的第一个证据。
1965 年：Penzias 和 Wilson 发现了宇宙微波背景，证实了大爆炸理论。
1980 年：Guth 提出了暴胀理论来解决大爆炸宇宙学的问题。
1998 年：两个团队使用 Ia 型超新星发现了加速膨胀，揭示了暗能量。
2000 年代至今：WMAP、Planck 和其他任务的精密宇宙学将宇宙学参数测量到了百分比精度。