宇宙是越來越大？還是越來越小了？

大爆炸理論是普遍認可的宇宙誕生及演化發展的宇宙理論。在理論中空間和時間與固定量的能量和物質，隨著宇宙的擴大越來越密集。最初的暴漲擴張之後，宇宙逐漸冷卻，希格斯場隨宇宙誕生而隨即存在充斥著整個宇宙空間並賦予一切粒子和物體其基本屬性——質量，並允許第一批亞原子粒子形成再簡單原子。巨大的塵埃雲層後合併，通過重力形成星系、恆星、和一切今天你能看到的和未曾看到的。

H. Teplitz and M. Rafelski (IPAC/Caltech), A. Koekemoer (STScI), R. Windhorst (Arizona State University), and Z. Levay (STScI) （CC BY-SA 3.0）

根據哈勃定律和眾多天文理論及觀測證明，宇宙正在膨脹是一個公知的事實，宇宙的誕生並無中心，或者說所有地方都是中心（是不是很矛盾？其實不然、如果覺得矛盾說明你還沒有理解）。舉個例子：像一個膨脹的葡萄乾蛋糕，但無限的葡萄乾蛋糕填補所有空間的所有方向。則葡萄乾是星系。根據大爆炸理論和空間維度理論我們可以知到：宇宙是有限而無邊界的（這樣概述或許很多人不能理解、當然你不能理解是正常的、你理解說明你知道的還蠻多）

對一個問題解釋的是：如果一切東西（是宏觀物體不指微觀）大小都是星系的兩倍。星系，房子，你和我，統治者，我們從來沒有注意到。我可能是一個高大的巨人，但如果房間是同樣巨大的，所以我們只能看到大小的相對差異。（由此可知道物體與物體之間的宇宙空間空間是相當寬廣的）

這張照片顯示宇宙了137億年前的溫度波動（顏色顯示出了差異）這與星系等成長有相應關係，WMAP宇宙背景輻射圖像（2012）（CC BY-SA 3.0）

當科學家們說宇宙正在膨脹擴大時，並不意味著它的「居民」（恆星、中子星、行星等等）也正在膨脹。葡萄並干不會隨蛋糕而增長。想像一下：蛋糕麵糊奶油充滿了葡萄乾，當你第一次把蛋糕放在烤箱里時，他們互相擠壓，但到了完成的時候，每口只有一顆葡萄乾、這是一個很好的比喻，但他又提出了另一個問題：我們如何知道葡萄乾不會縮小？（如何知道恆星、中子星、行星等等不會隨宇宙膨脹而縮小？）

另一個問題是：如果星系之間的距離是固定的，那麼除了那些距離以外的一切東西都變小了嗎？或者在宇宙之間的某個地方，當我們收縮一點的時候，宇宙會增長一點。對於這個問題，我們應該將臨界點放在相對於收縮的尺度還是增長的尺度之間？

從根本上講：宇宙的膨脹擴張是通過將時空中的尺度長度與時間流逝長短的一個比值來描述的，有時稱為宇宙尺度因子。隨著時間的流逝，這一比發生了變化：空間規模每秒都在增加。但是由於這個比的關係，長度除以時間，是一個速度，假設我們認為空間是固定的，所有的速度都會減慢。

插圖：Illustration by Sandbox Studio, Chicago

如果每個物體，從粒子到行星，突然減速，會發生什麼？？行星會落在靠近太陽的地方，因為他們減少的角動量。同樣電子就會接近原子核。分子鍵會縮短等等，每一個被力束縛的系統都會收縮，而不連接的或獨立無關的系統之間的距離將保持不變

另外如果粒子的速度是獨立的，但一切都均勻膨脹時會發生什麼？會像在微波里盤棉花糖嗎？電子和行星軌道將收縮到原始尺度，如從微波爐中取出的棉花糖，但它們之間的間隙不會。

不管我們如何解釋基礎理論，我們都有相同的系統場景：約束系統之間的距離相對於這些系統的大小而增加。但這不應該是一個驚喜，因為我們談論的是同一物理理論的兩種不同的方式，這是一個角度的問題。（物理學家Jim Pivarski解釋了宇宙空間的擴展方式

宇宙尺度因子-名詞解析：相對膨脹的宇宙參數化的無量綱比例因子 displaystyle。也被稱為宇宙尺度因子或有時羅伯森沃克比例因子，這是一個關鍵的參數，Friedmann方程在早期階段大爆炸，大部分的能量以輻射的形式，和輻射是宇宙膨脹的影響佔主導地位。後來隨著冷卻從膨脹作用的質量和輻射的變化，宇宙進入了一個新的時代。

這張可觀測宇宙空間圖中展示了地球在宇宙中的位置。圖片作者：Andrew Z. Colvin（CC BY-SA 3.0）

最近的研究結果表明：我們已經進入了一個暗能量佔主導地位的時代，但質量和輻射作用的是最重要的為，了解早期宇宙。使用無量綱因子來描述宇宙的膨脹，有效能量密度的輻射和規模不同。這導致了一個輻射為主的時代在非常早期的宇宙而過渡到一個物質主導的時代在以後的時間裡，隨後從大約50億年前暗能量佔主導的地位。

原文作者：Jim Pivarski

編譯：光量子，審校：博科園

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