講道理，我們如何得知宇宙正在膨脹？

當天文學家把望遠鏡指向太空的時候，他們驚奇的發現無論朝哪個方向看過去，都有大量的天體在遠離我們。這個事實說明了什麼？我們正在排斥其它的天體？空間本身在擴大？我們正處於宇宙過去一次爆炸的中心？

這些選項看上去都說得過去，但是天文學家說"宇宙正在膨脹"，而沒有選擇其它的理由。這是為什麼？我想大部分的人都會有類似的疑問。

其實宇宙本身就告訴了我們答案。

首先我們要提到愛因斯坦的廣義相對論，它闡明了時空、物質與能量之間的關係，也是目前在宇宙學研究裡面應用的最廣泛的理論。根據廣義相對論，物質和能量確定了時空如何彎曲; 而時空告訴物質如何運動。如果我們知道宇宙中每個時刻的物質和能量是如何分布的，並且我們也知道物質和能量正在如何移動，那麼我們可以重建出宇宙歷史裡，時空是如何彎曲和演化的。

最靠近的星系由其臨近的星系的引力動力學所支配。例如，我們所在的銀河系和仙女座正在相互靠近，而本星系團中的其它星系最終也會與銀河系合併。在這之外，星系被引力拉扯，向其它附近的大質量靠攏，例如大型的星系，星系團和星系群。在任何相對較小，也就是在幾百萬或數千萬光年的空間區域內，質量決定了裡面的星系如何運動。

但是在更大的尺度上，運動看起來卻完全不一樣。這些被稱為本動速度的小尺度運動可能會讓天體運動的速度上升到幾千公里每秒，但是它們同時被疊加在一個更大的效應上。只有當你開始觀察更大的尺度時，才能看到，星系離我們越遠，它看起來離開我們的速度越快。

這個經驗規律被稱為哈勃定律，其簡單地表明，星系的表觀退行速度與它離我們的距離成正比，對應的比例係數稱為哈勃常數，目前的測量值約為每百萬秒差距每秒70公里。秒差距是一個天文學上常用的距離單位，一個秒差距等於3.26光年。

為什麼會出現這樣的現象？

其實，當愛因斯坦提出他的廣義相對論時，他很快就意識到：一個物質分布具有各向同性的宇宙是引力不穩定的，它會最終坍塌到一起。愛因斯坦解決這個問題的方法是構造一個無形的向外推力，以防止這種坍塌的發生，這是宇宙常數。如果廣義相對論方程裡面沒有這個宇宙常數，那麼將不會得到一個穩恆的宇宙，空間本身的結構會隨著時間的推移要麼擴大要麼縮小。

即使如此，愛因斯坦的解決方案也不好。他的宇宙常數會導致不穩定的宇宙：一些過密的地方會坍縮，而那些不夠密的地方會以失控的方式擴散。只要遵守廣義相對論定律的宇宙充滿了物質，它就不能簡單地擁有靜態時空。

當我們看著我們所處的宇宙的時候，我們看到它看起來既是均勻的，又是各向同性的。這兩個屬性非常重要，因為它們告訴我們兩件重要的事情：均勻性意味著宇宙中到處都是一樣的， 各向同性則意味著宇宙在所有方向都是相同的。綜合起來，這兩個屬性告訴我們，無論你走到哪裡，或者看著什麼方向，宇宙裡面的物質和能量幾乎是均勻分布的。再加上遙遠的星系看起來退行得更快，留給我們的解釋不多了。

可能的解釋包括下面這些：

1. 這些遙遠星系的光線在太空中傳播時變得"疲倦"並失去能量；

2. 源於星系的快速運動，隨著時間的推移，快速移動的星系越來越遠；

3. 原初的爆炸使得一些星系離我們更遠；

4. 空間本身的結構在擴大。

然而， 只有最後一個選項得到了全部數據的檢驗，這些數據支持廣義相對論以及觀測到的所有星系的分布和性質。

早在二十世紀三十年代的時候，這個解釋就變得非常顯然了：事實上，宇宙正在擴張，沒有第二種選項。事實上，無論天體距離我們多遠，觀測到的紅移與距離關係和觀測的膨脹速度相匹配，有助於證實這一點。

但是還有更多的證據。如果宇宙實際上在擴張，那麼我們可以期望看到很多東西。我們會看到，我們對宇宙看得越遠，就越能看到宇宙的遙遠過去，而那是宇宙中的質量更加密集。我們將會看到，聚集在一起的星系的距離比今天更近。我們會看到來自天體的黑體輻射的光譜仍然是黑體光譜，無論其能量如何移動。我們可以看到，當時宇宙微波背景輻射的溫度比目前的2.7開爾文要高。

所有這些證據加起來，告訴我們宇宙正在膨脹。這是遙遠星系視覺退行的原因。空間本身正在擴大，我們可以看到的宇宙部分在變得越來越大。儘管大爆炸發生僅138億年，但今天我們能看到的最遠的天體距離我們460億光年。

在這之外還有什麼？ 我們幾乎可以肯定，那裡有更多的"宇宙"。不可觀測的宇宙可能是有限的或無限的，但我們無從知道。即使它已經是無限的，它仍然可以擴大！ 隨著宇宙的膨脹，你只需將它的大小乘以一個"增長因子"，所以如果它從有限的開始，它仍然是有限的（但是更大），並且如果它從無限開始，它仍然是無限的。天文學家仍然在研究這個膨脹的宇宙，它的命運也和人類的命運息息相關。

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