宇宙膨脹可能是我們發現的關於我們起源的最重要事實。如果宇宙沒有膨脹，您就不會閱讀這篇文章。人類將不會存在。如果宇宙不是從熱大爆炸開始，然後膨脹和冷卻，那麼像生命形式和類地行星這樣的寒冷分子物質就不可能出現。宇宙中所有結構的形成，從星系和恆星到行星和大眾科學（《大眾科學》）的文章，都依賴於膨脹。
四十年前的七月，科學家宣佈發現了確鑿的證據，證明宇宙是從更熱、更稠密的原始狀態膨脹而來的。他們發現了大爆炸的冰冷餘輝：宇宙微波背景輻射。自這一發現以來，宇宙的膨脹和冷卻一直是宇宙學的統一主題，就像達爾文進化論是生物學的統一主題一樣。與達爾文進化論一樣，宇宙膨脹提供了背景，簡單的結構在其中形成並在時間推移中發展成複雜的結構。沒有進化和膨脹，現代生物學和宇宙學都毫無意義。
宇宙膨脹在另一個奇特的方面類似於達爾文進化論：大多數科學家認為他們理解它，但很少有人對它的真正含義達成一致。《物種起源》問世一個半世紀後，生物學家仍在爭論達爾文主義的機制和含義（但不是現實），而大多數公眾仍然在達爾文之前的茫然中掙扎。同樣，在其最初發現 75 年後，宇宙膨脹仍然被廣泛誤解。一位參與宇宙微波背景解釋的著名宇宙學家，普林斯頓大學的詹姆斯·皮布林斯在 1993 年寫道：“這幅圖景[熱大爆炸模型]的完整程度和豐富性並沒有得到應有的理解……即使是在那些為思想的流動做出一些最激動人心的貢獻的人當中也是如此。”
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著名的物理學家、天文教科書的作者和傑出的科學普及者都對宇宙膨脹發表了不正確、誤導性或容易被誤解的陳述。由於膨脹是大爆炸模型的基礎，這些誤解是根本性的。膨脹是一個非常簡單的概念，但宇宙膨脹到底意味著什麼？它膨脹到哪裡？地球也在膨脹嗎？更令人困惑的是，宇宙的膨脹現在似乎正在加速，這是一個真正令人費解的過程。
膨脹到底是什麼？
當一些熟悉的物體膨脹時，例如扭傷的腳踝、羅馬帝國或炸彈，它會透過膨脹到周圍的空間來變大。腳踝、帝國和炸彈都有中心和邊緣。在邊緣之外，有空間可以膨脹進去。宇宙似乎沒有邊緣、中心或外部，那麼它如何膨脹呢？
一個好的類比是想象你是一隻生活在充氣氣球表面的螞蟻。你的世界是二維的；你唯一知道的方向是左、右、前和後。你不知道“上”和“下”是什麼意思。有一天你意識到，你走到蚜蟲那裡擠奶的時間比以前長了：一天五分鐘，第二天六分鐘，第三天七分鐘。走到其他熟悉地方的時間也在增加。你確信你沒有走得更慢，而且蚜蟲只是在隨機地成群結隊地轉悠，而不是有系統地爬離你。
這是重要的一點：即使蚜蟲沒有走開，到蚜蟲的距離也在增加。它們只是站在那裡，相對於氣球的橡膠靜止不動，但到它們的距離以及它們之間的距離都在增加。注意到這些事實，你得出結論，你腳下的地面正在膨脹。這非常奇怪，因為你已經走遍了你的世界，但沒有找到邊緣或“外部”讓它膨脹進去。[中斷]
我們宇宙的膨脹很像氣球的膨脹。到遙遠星系的距離正在增加。天文學家隨意地說，遙遠的星系正在“後退”或“遠離”我們，但星系並沒有在空間中遠離我們。它們不是大爆炸炸彈的碎片。相反，星系與我們之間的空間正在膨脹。單個星系在星系團內隨機移動，但星系團基本上是靜止的。“靜止”一詞可以嚴格定義。微波背景輻射充滿了宇宙，並定義了一個普遍的參考系，類似於氣球的橡膠，相對於它可以測量運動。
不應過度延伸這個氣球類比。從我們在氣球外部的觀點來看，彎曲的二維橡膠的膨脹只有在嵌入三維空間中才有可能。在第三維空間內，氣球有一箇中心，並且它的表面在充氣時膨脹到周圍的空氣中。人們可能會得出結論，我們三維空間的膨脹需要第四維空間的存在。但在愛因斯坦的廣義相對論中，現代宇宙學的基礎，空間是動態的。它可以膨脹、收縮和彎曲，而無需嵌入更高維度的空間中。
從這個意義上說，宇宙是自包含的。它既不需要一箇中心來遠離膨脹，也不需要外部（無論在哪裡）的空空間來膨脹進去。當它膨脹時，它不會從周圍環境中佔據先前未被佔用的空間。一些較新的理論，如弦理論，確實假設了額外的維度，但隨著我們三維宇宙的膨脹，它不需要這些額外的維度來擴充套件進去。
無處不在的宇宙交通堵塞
在我們的宇宙中，就像在氣球表面一樣，一切都遠離其他一切。因此，大爆炸不是在空間中爆炸；它更像是空間的爆炸。它不是在特定位置爆炸並從那裡擴散到一些想象中預先存在的虛空中。它同時發生在所有地方。
如果想象一下時間倒流，宇宙的任何給定區域都會縮小，其中的所有星系都會越來越近，直到它們在大爆炸中碰撞在一起，形成宇宙交通堵塞。這種交通堵塞的類比可能暗示了你可以透過收聽廣播中的交通報告來避免的區域性擁堵。但大爆炸是一場不可避免的交通堵塞。這就像地球表面及其所有高速公路都在縮小，而汽車的大小保持不變。最終，汽車將在每條道路上首尾相連。任何無線電廣播都無法幫助您繞過那種交通堵塞。擁堵無處不在。
同樣，大爆炸發生在所有地方——在您閱讀這篇文章的房間裡，在就在半人馬座阿爾法星左側的一個點，在所有地方。它不是在我們可以識別為爆炸中心的特定地點爆炸的炸彈。同樣，在氣球類比中，氣球表面上沒有一個特殊的地方是膨脹的中心。
無論宇宙有多大，甚至無論宇宙的大小是有限還是無限，大爆炸的普遍性都成立。宇宙學家有時會說宇宙曾經有葡萄柚那麼大，但他們的意思是，我們現在可以看到的宇宙部分——我們的可觀測宇宙——曾經有葡萄柚那麼大。
居住在仙女座星系及更遠地方的觀察者有他們自己的可觀測宇宙，這些宇宙與我們的不同但又重疊。仙女座星系人可以看到我們看不到的星系，僅僅是因為它們離這些星系稍微近一些，反之亦然。他們的可觀測宇宙也曾經有葡萄柚那麼大。因此，我們可以將早期宇宙想象成一堆在各個方向無限延伸的重疊葡萄柚。相應地，大爆炸“小”的想法具有誤導性。空間的整體可能是無限的。將無限空間縮小任意量，它仍然是無限的。[中斷]
比光速更快的後退
另一組誤解涉及膨脹的定量描述。星系之間距離增加的速度遵循美國天文學家埃德溫·哈勃在 1929 年發現的獨特模式：星系遠離我們的後退速度 (v) 與它到我們的距離 (d) 成正比，即 v = Hd。比例常數 H 被稱為哈勃常數，它量化了空間拉伸的速度——不僅在我們周圍，而且在宇宙中任何觀察者周圍。
有些人對某些星系不遵守哈勃定律感到困惑。仙女座星系，我們最近的大型星系鄰居，實際上正在向我們移動，而不是遠離。出現這種例外是因為哈勃定律僅描述了星系的平均行為。星系也可能有適度的區域性運動，因為它們會隨意移動並相互引力拉扯——就像銀河系和仙女座星系正在做的那樣。遙遠的星系也有小的區域性速度，但從我們的角度來看（在較大的 d 值下），這些隨機速度被大的後退速度 (v) 所淹沒。因此，對於那些星系，哈勃定律非常精確地成立。
請注意，根據哈勃定律，宇宙並非以單一速度膨脹。一些星系以每秒 1,000 公里的速度遠離我們，另一些星系（距離是其兩倍的星系）以每秒 2,000 公里的速度遠離我們，依此類推。事實上，哈勃定律預測，超過一定距離（稱為哈勃距離）的星系後退速度將超過光速。對於哈勃常數的測量值，這個距離約為 140 億光年。
這種對超光速星系的預測是否意味著哈勃定律是錯誤的？愛因斯坦的狹義相對論不是說任何物體的速度都不能超過光速嗎？這個問題困擾了幾代學生。解決方案是狹義相對論僅適用於“正常”速度——在空間中的運動。哈勃定律中的速度是由空間膨脹引起的後退速度，而不是在空間中的運動。這是一種廣義相對論效應，不受狹義相對論限制的約束。後退速度大於光速並不違反狹義相對論。仍然是真理，沒有任何東西可以超越光束。
拉伸和冷卻
宇宙正在膨脹的主要觀察結果出現在 1910 年至 1930 年之間。原子發射和吸收特定波長的光，這是在實驗室實驗中測量的。相同的模式出現在來自遙遠星系的光中，只是模式已轉移到更長的波長。天文學家說星系的光已經發生紅移。解釋很簡單：隨著空間膨脹，光波被拉伸。如果宇宙在波浪傳播過程中大小增加一倍，則它們的波長加倍，能量減半。
這個過程可以用溫度來描述。物體發射的光子集體具有溫度——一定的能量分佈，反映了物體的熱度。當光子在膨脹的空間中傳播時，它們會失去能量，並且它們的溫度會降低。透過這種方式，宇宙隨著膨脹而冷卻，就像潛水罐中的壓縮空氣在釋放並允許膨脹時冷卻一樣。例如，微波背景輻射目前的溫度約為 3 開爾文，而釋放輻射的過程發生在約 3,000 開爾文的溫度下。自從發射這種輻射以來，宇宙的大小增加了 1,000 倍，因此光子的溫度降低了相同的倍數。透過觀察遙遠星系中的氣體，天文學家已經直接測量了過去遙遠時期的輻射溫度。這些測量證實宇宙一直在隨著時間推移而冷卻。[中斷]
關於紅移和速度之間關係的誤解比比皆是。膨脹引起的紅移經常與更熟悉的由多普勒效應產生的紅移相混淆。如果聲源正在遠離，例如，一輛後退的救護車警報器，則正常的多普勒效應會導致聲波變長。相同的原理也適用於光波，如果光源在空間中遠離我們移動，光波會變長。
這與來自遙遠星系的光發生的情況相似，但不完全相同。宇宙學紅移不是正常的多普勒頻移。天文學家經常這樣稱呼它，這樣做對他們的學生造成了嚴重的損害。多普勒紅移和宇宙學紅移受兩個不同的公式支配。第一個來自狹義相對論，它沒有考慮空間的膨脹，第二個來自廣義相對論，它考慮了空間的膨脹。對於附近的星系，這兩個公式幾乎相同，但對於遙遠的星系，這兩個公式會發散。
根據通常的多普勒公式，空間速度接近光速的物體具有接近無窮大的紅移。它們的波長變得太長而無法觀察。如果星系是這種情況，那麼天空中最遙遠的可見物體將以略低於光速的速度後退。但是宇宙學紅移公式得出了不同的結論。在當前的宇宙學標準模型中，紅移約為 1.5 的星系——即，其光的波長比實驗室參考值長 150%——正在以光速後退。天文學家已經觀察到大約 1,000 個紅移大於 1.5 的星系。也就是說，他們已經觀察到大約 1,000 個以超過光速遠離我們的物體。同樣，我們正在以超過光速的速度遠離這些星系。宇宙微波背景輻射傳播得更遠，紅移約為 1,000。當早期宇宙的熱等離子體發出我們現在看到的輻射時，它正以大約 50 倍光速的速度遠離我們的位置。
為了保持靜止而奔跑
看到超光速星系的想法聽起來可能很神秘，但這是由於膨脹率的變化而成為可能的。想象一下，一束光束比 140 億光年的哈勃距離更遠，並試圖朝我們的方向傳播。它相對於其區域性空間正以光速向我們移動，但其區域性空間正以超過光速的速度遠離我們。儘管光束正以最大可能速度向我們傳播，但它無法跟上空間的拉伸速度。這有點像一個孩子試圖在自動人行道上逆向奔跑。哈勃距離處的光子就像紅皇后和愛麗絲，他們儘可能快地奔跑只是為了保持在同一個位置。
人們可能會得出結論，哈勃距離以外的光永遠無法到達我們，並且其來源將永遠無法檢測到。但是哈勃距離不是固定的，因為它所依賴的哈勃常數會隨時間變化。特別是，該常數與兩個星系之間距離增加的速率與該距離的比值成正比。（任何兩個星系都可以用於此計算。）在符合觀測資料的宇宙模型中，分母的增加速度快於分子，因此哈勃常數會減小。這樣，哈勃距離就會變大。隨著哈勃距離變大，最初剛好在哈勃距離之外並遠離我們的光可以進入哈勃距離之內。然後，光子會發現自己處於一個後退速度低於光速的空間區域。此後，它們可以接近我們。
然而，它們來自的星系可能會繼續超光速後退。因此，我們可以觀察到來自一直並將永遠以超光速後退的星系的光。換句話說，哈勃距離不是固定的，也不標誌著可觀測宇宙的邊緣。[中斷]
是什麼標誌著可觀測空間的邊緣？在這裡，再次出現了混亂。如果空間沒有膨脹，那麼我們現在可以看到的最遙遠的物體將距離我們約 140 億光年，這是自大爆炸以來光可能傳播的距離。但是由於宇宙正在膨脹，光子穿過的空間在其航行過程中會在其身後膨脹。因此，到我們能看到的最遠物體的當前距離大約是原來的三倍，即 460 億光年。
最近發現宇宙膨脹速度正在加速，這使得事情變得更加有趣。以前，宇宙學家認為我們生活在一個減速宇宙中，並且會有越來越多的星系進入視野。然而，在加速宇宙中，我們被一個邊界包圍，超出這個邊界發生的事件我們將永遠看不到——一個宇宙事件視界。如果來自超光速後退星系的光要到達我們，哈勃距離就必須增加，但在加速宇宙中，哈勃距離停止增加。遙遠的事件可能會發出瞄準我們方向的光束，但這種光被膨脹的加速困在哈勃距離之外。
因此，加速宇宙類似於黑洞，因為它具有事件視界，一個我們無法看到的邊緣之外的邊緣。我們宇宙事件視界的當前距離為 160 億光年，遠在我們可觀測範圍之內。從現在超出事件視界的星系發出的光將永遠無法到達我們；當前對應於 160 億光年的距離將膨脹得太快。我們仍然能夠看到在這些星系越過視界之前發生的事件，但隨後的事件將永遠超出我們的視野。
布魯克林在膨脹嗎？
在電影《安妮·霍爾》中，年輕的伍迪·艾倫扮演的電影角色向他的醫生和母親解釋了他為什麼不能做作業。“宇宙在膨脹。宇宙就是一切，如果它在膨脹，總有一天它會破裂，那將是一切的終結！”但他的母親更瞭解：“你在這裡，在布魯克林。布魯克林沒有膨脹！”
他的母親是對的。布魯克林沒有膨脹。人們常常認為，隨著空間的膨脹，其中的一切也會膨脹。但事實並非如此。膨脹本身——即，既不加速也不減速的勻速膨脹——不會產生力。光子波長隨著宇宙膨脹而膨脹，因為與原子和城市不同，光子不是相干物體，其大小是由力之間的妥協設定的。膨脹速率的變化確實為混合增加了新的力，但即使是這種新的力也不會使物體膨脹或收縮。
例如，如果引力變得更強，您的脊髓將壓縮，直到您椎骨中的電子達到新的平衡，稍微靠近一點。您會變得矮一點，但不會繼續縮小。同樣，如果我們生活在一個受引力吸引力支配的宇宙中，就像大多數宇宙學家在幾年前認為的那樣，膨脹會減速，對宇宙中的物體產生輕微的擠壓，使它們達到更小的平衡尺寸。這樣做之後，它們不會繼續縮小。
事實上，在我們的宇宙中，膨脹正在加速，這會對物體施加輕微的向外力。因此，束縛物體的尺寸略大於它們在非加速宇宙中的尺寸，因為力之間的平衡是在稍微更大的尺寸下達到的。在地球表面，遠離行星中心的向外加速度等於正常向內引力加速度的極小一部分 (10−30)。如果這種加速度是恆定的，它不會使地球膨脹；相反，行星只是穩定在靜態平衡尺寸，略大於它將達到的尺寸。
如果加速度不是恆定的，正如一些宇宙學家推測的那樣，這種推理會發生變化。如果加速度本身增加，它最終可能會變得足夠強大，以撕裂所有結構，導致“大撕裂”。但是，這種撕裂的發生不是因為膨脹或加速度本身，而是因為加速的加速度。
大爆炸模型基於對膨脹、宇宙微波背景、宇宙的化學成分和物質團塊的觀測。像所有科學思想一樣，該模型有一天可能會被取代。但它比我們擁有的任何其他模型都更符合當前的資料。隨著新的精確測量使宇宙學家能夠更好地理解膨脹和加速，他們可以提出關於宇宙最早時期和最大尺度的更基本的問題。是什麼導致了膨脹？許多宇宙學家將其歸因於稱為暴脹的過程，一種加速膨脹的型別。但這隻能是一個部分答案，因為似乎為了開始暴脹，宇宙已經必須在膨脹。那麼最大的尺度呢，超出我們所能看到的範圍呢？宇宙的不同部分是否以不同的量膨脹，以至於我們的宇宙是更大的多元宇宙的單個暴脹氣泡？沒有人知道。儘管仍然存在許多問題，但越來越精確的觀測表明，宇宙將永遠膨脹下去。我們希望，關於膨脹的困惑會縮小。