（本文已刊载于《天文爱好者》杂志2009年第10期）
Liz Kruesi 文 Shea 编译
你一直在被哈勃定律所困扰吗？一直在为大爆炸而困惑吗？让我们重新审视一下这些问题，寻找这些宇宙学中重大问题的解答。
宇宙学的目的是了解宇宙的起源和演化，单从这一点就能看出它的雄心勃勃。近一个世纪前，天文学家发现绝大多数的星系正在远离我们，并由此揭示出了一个让人惊骇的事实——我们的宇宙正在膨胀。几十年前，天文学家意识到，天空中充满了宇宙形成之后不久光子所发出的微弱射电波。几年前，专门用来探测这一宇宙微波背景的威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）则又发现了强有力的证据，证明我们的宇宙在极早期经历过一个超高速膨胀的“暴涨”阶段。
[图片说明]：WMAP探测到的宇宙微波背景辐射。图中的不同颜色代表了温度在2.725开上下十万分之一的波动。版权：NASA。
有些人认为现如今的宇宙学正处于“黄金时代”。然而，相对于它不断所取得的进展，一些宇宙学中最基本的概念却让人难以把握。这里列举出五件宇宙学中最让人困扰的事情，它们或许是普通人想要理解宇宙学家们目前所做的最大障碍。
一、如果遥远的星系都在离我们而去，这是否意味着我们就处在宇宙的中心？
用一个字回答：不。
20世纪20年代，美国威尔逊天文台的埃德温·哈勃（Edwin Hubble）和米尔顿·赫马森（Milton Humason）发现，除了距离最近的星系之外，其他的星系都在远离我们而去。此外他们还发现，距离越远的星系其退行的速度越快。但是，这些星系的退行运动并不是穿行于宇宙空间之中的，而是宇宙空间自身的整体膨胀。星系只不过是搭了个便车而已。
1916年，德国理论物理学家阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）发表了他的广义相对论。这一理论拓展了他早先的想法，囊括了引力对空间的形状以及时间流逝的影响。一年之后，荷兰天文学家威廉·德西特（Willem de Sitter）使用爱因斯坦的理论证明，一个几近真空的宇宙必定会膨胀。哈勃认为，他所看到的星系退行现象正是一个由“德西特空间”所组成的宇宙的如实表现。
在膨胀的宇宙中传播的光线会被拉伸。光子会损失能量，因此谱线的位置会向长波（红光）段移动。同时，超新星爆发的信号也会被拉伸。遥远星系中的超新星会比近距星系中的持续更长时间，而且距离越远持续的时间就越长。这就意味着宇宙空间自身也在膨胀。被镶嵌在宇宙空间中的星系在跟随空间一起远离其他的天体。
天文学家通常会使用气球来比喻膨胀的宇宙。气球表面的图案代表星系。对气球充气就相当于宇宙的膨胀，这时气球表面每个图案之间的距离就会变大。不幸的是，绝大多数人试图把这一类比推向另一个极端，询问气球的中心是什么。
[图片说明]：宇宙膨胀是宇宙空间自身的膨胀。版权：Astronomy/Roen Kelly。
必须要明白的是，这本质上是一个二维的实验。在一张白纸上画许多的点，然后在一张透明片上把刚才的画放大再画一遍。将两者重叠起来，并且任取一点作为参考点。“无论这个点在哪儿，每个点上的‘观测者’都会看到其他点在离他/她而去，”美国加州大学欧文分校的阿萨塔·库雷（Asantha Cooray）解释说，“这正是宇宙中的每个星系所正在发生的。”
另一个想象宇宙膨胀的途径是把它看成是一个葡萄干面包。当面包（宇宙空间）膨胀的时候，每颗葡萄干（星系）都会看到其他的葡萄干在远离自己而去。而这些葡萄干自身并没有改变，变化的是它们所处的空间。同时，每颗葡萄干也都是等价的，因为所有葡萄干都在远离它。美国宇航局戈达德航天中心的宇宙学家、2006年诺贝尔奖得主约翰·马瑟（John Mather）说：“你所要做的就是想象一个空间，这个空间中的所有东西都在和它一起膨胀。”
宇宙学家假设，在足够大的距离上——远大于星系团的尺度，无论观测者身处何处，他/她所看到的宇宙都是相同的。在爱因斯坦的相对论中，它认为对于任何物理相互作用而言，不存在优越的参考系。上面的论断是对相对论的一种推广。科学家们把这一假设称为“宇宙学原理”，并且一直在检验它。到目前为止，它看起来依然是对宇宙非常好的一种近似。
二、膨胀中的宇宙在往哪里膨胀？
这是把气球类比膨胀宇宙过渡外推而导致的另一个问题。宇宙是自我独立的，它可以在不需要膨胀入其他东西的情况下自我膨胀。
爱因斯坦的相对论为审视宇宙提供了一条新的途径。它认为引力不再是一种力，而是时空的弯曲。引力场中的物质和能量会按照弯曲时空的“命令”运动。相对论预言，时空的弯曲也会使得光线的路径弯曲。
[图片说明]：大质量的天体会使得其周围的时空发生弯曲，由此导致了掠过其边缘的光线也发生偏折。
1919年的日全食给了科学家直接的证据。如果一个大质量天体（例如太阳）会使得时空发生弯曲，那么来自遥远恒星的光线在掠过这个天体的时候就会发生偏折。这一效应虽然很小，但是天文学家根据在日全食时测量到的太阳附近恒星位置的变化足以能发现它。
这只是爱因斯坦相对论众多实验验证中的一个。由此相对论也成为了现代宇宙的一大基石。正如德西特所证明的，空间是一个有机的整体，可以在不需要嵌入高维空间的情况下弯曲、收缩和膨胀。
三、“大爆炸”到底是什么样的爆炸？
“大爆炸”并不是通常意义下的任何一种爆炸。
“在物理学和科学中，‘大爆炸’和爆炸毫不相关，”WMAP的首席科学家查尔斯·贝内特（Charles Bennett）说。WMAP观测到了迄今精度最高的宇宙微波背景图。这些光子自宇宙诞生之后大约38万年电子和质子首次结合成中性原子起便穿行于宇宙之中。
天文学家已经知道，宇宙正在不断地变大、冷却，密度也在不断降低，这也正是宇宙膨胀的必然结果。如果我们把宇宙的历史向后推，那么以前的宇宙就会比现在天文学家看到的要更小，温度更高，密度更大。
[图片说明]：宇宙大爆炸之后的演化过程。
当可见的宇宙只有目前的一半的时候，物质的密度就会是现在的8倍，宇宙微波背景的温度就会是现在的2倍。当可见的宇宙只有现在的一百分之一的时候，宇宙微波背景的温度就是现在的100倍。当可见的宇宙只有现在的一亿分之一的时候，背景辐射的温度可以达到2.73亿开。此时宇宙中物质的密度将和目前地球表面空气的密度相仿。这一温度可以把宇宙中的气体完全电离成高速运动的质子和电子。
“‘大爆炸’对于这个理论而言并不是一个非常精确的名字，”贝内特解释说，“这一理论所描述的是宇宙的膨胀和冷却，而不是一次爆炸。”
但“大爆炸”不是在空间中的一次爆炸吗？它的名字会让人联想到诸如爆竹这样的化学爆炸现象，而一旦有了这些先入为主的印象，就很难把大爆炸想象成其他东西。事实上，“大爆炸”更接近物质、能量、时间以及空间自身的创生和伸展。
“更确切地讲，‘膨胀宇宙理论’是一个更贴切的名字，因为它就是一个关于宇宙如何膨胀的理论，”WMAP成员、美国普林斯顿大学的戴维·斯珀格尔（David Spergel）说。
四、“大爆炸”之前是什么？
没人知道。也许在大爆炸之前什么都不存在，也许如美国哈佛大学的阿维·洛布（Avi Loeb）所说，我们的宇宙“始于循环大爆炸。但是目前还没有观测数据能证实这一以及其他的假说。”使用已知的物理定律，宇宙学学家可以把宇宙反推到大爆炸之后的10-43秒，即普朗克时期，但只能到此为止。因此现在的科学无法回答这个问题。
科学家们一直在使用两种“分立”的理论。一个是描述微观世界的量子力学，另一个是描述大尺度宇宙的广义相对论。它们在各自的领域都非常有效，但是彼此不可调和。洛布说：“我们需要一个能统一量子力学和广义相对论的理论，由此才能把宇宙反推到大爆炸的源头。”
在几个世纪的研究之后，物理学家已经知道了四种基本作用力：引力、电磁力、强相互作用力和弱相互作用力。理论物理学家已经统一了电磁力和弱相互作用力。当宇宙的年龄只有一百亿分之一秒的时候，“弱电”力分解成了现在我们看到的两种力。
[图片说明]：大型强子对撞机。版权：LHC/CERN。
统一弱电力和强相互作用力的尝试还没成功，不过科学家们相信，在更早期的宇宙所有的基本力都是统一在一起的。但引力——到目前为止依然是相对论的领地——则是个麻烦。
超弦理论试图统一相对论和量子力学。它认为，所有的基本粒子都是振动的能量环，被称为“弦”。无论对应于一个电子还是一个顶夸克，每一种弦都具有特定的振动频率。
超弦理论则有一个可检验的结论，被称为“超对称”。它认为每种已知的基本粒子都具有不可见的伴随粒子。计划在今年底重启的欧洲核子中心的大型强子对撞机预期可以达到能用来检验超对称的能标。
五、宇宙的外面是什么？
就我们所知，宇宙是无限的。
WMAP的观测数据已经佐证了暴涨理论，即宇宙经历了一个超高速膨胀的阶段。因此，宇宙很可能要比我们目前所能观测到的还要大得多得多。
这就有必要区分宇宙自身——大爆炸创生出的一切——和“可观测宇宙”——我们所能看到的一切。通过对宇宙微波背景的观测，宇宙学家已经知道宇宙的年龄为137亿年。而由于光传播的速度是有限的，地球上的观测者因此只能看到在这一时间段内传播到地球上的光。那么是不是因为我们在各个方向都能看到137亿光年远的宇宙，于是可观测宇宙的大小就是这个数值的两倍呢？
不是。在宇宙微波背景中我们所看到的物质是在137亿年之前发出的这些辐射，但在那以后这些物质就凝聚成了星系。由于宇宙膨胀，现在这些星系距离我们大约465亿光年。这一“距离”指的是现在这些星系和我们之间的距离，而不是它们发出光线时到我们的距离。所以，可观测宇宙的“直径”大约为930亿光年。这一结论似乎违背了爱因斯坦的相对论，即光速是物体在空间中运动的极限速度。但是这并不适用于空间自身的膨胀。普适的速度极限在极端情况下会有个别的例外，宇宙的膨胀就是其中之一。
可观测的宇宙有一个边界，科学家将其称为“视界”。那么在视界外面是什么？“随着时间的流逝和宇宙的膨胀，会有越来越多的宇宙进入我们的视界，”美国空间望远镜研究所的亚当·里斯（Adam Riess）说。他说，宇宙学家认为在我们可探测视界之外的宇宙“和我们的没什么两样”。
物理宇宙学，这一尚不足百年的科学分支，在过去的几年中取得了重大的成功。这包括了精确地限定宇宙年龄以及发现宇宙加速膨胀。不过宇宙学家们从来没有说，我们目前的宇宙模型是完整的。美国劳伦斯伯克利国家实验室的索尔·珀尔马特（Saul Perlmutter）将大爆炸模型称为是“一个有效的假说……一个取得惊人成功的初稿。”
下一代的探测器和实验——无论是地球上的，例如大型强子对撞机，还是空间中的，例如WMAP的后继者“普朗克”——将会使得科学家能有机会来检验我们目前对宇宙的认识。超对称乃至弦理论真的成立吗？到底是什么驱动了宇宙加速膨胀？
如果说过去只是开场，那么让我们一起期待更多的“意料之外”吧。
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一些关键的数字
宇宙正在膨胀并且冷却。根据大爆炸理论，过去的宇宙比现在的更小、密度更高。 137亿年：宇宙的年龄，误差几亿年。 930亿光年：目前可观测宇宙的大小。 2.725开：宇宙微波背景辐射的平均温度。 4%：宇宙中组成你、我、行星、恒星等普通物质的含量。 22%：宇宙中暗物质的含量。它们是至今尚未被直接探测到的物质，和普通物质之间存在引力，但是不参与其他三种基本相互作用（电磁和强、弱相互作用）。 74%：宇宙中暗能量的含量。正是它驱动着宇宙加速膨胀。但是它究竟是什么尚不为人所知。 |
[Astronomy 2007年05月]
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沙发！！！！！！！！！！！
说所有星系都在离我们远去，这也应该是个相对的概念吧。因为地球也应该是运动的，他在空间中在向哪个方向运动呢？应该要解释一下
宇宙是有界无边的
膨胀是各向同性的
所以相对膨胀运动的是各个方向都有的
我觉得应该是这样，假设宇宙中存在一条坐标轴，我们把坐标轴的原点看做是宇宙的中心，在这条坐标轴上有两颗行星(从距离原点由近到远的顺序依次是地球和X星)都向着坐标轴的正方向运动。根据作者的描述，这两颗行星之间的距离越来越远。那么地球沿坐标轴方向的速度必然小于X星球。也就是说，大家都在背离宇宙中心而去，只不过距离宇宙中心越远的星球离开得越快，反之，越近的越是恋恋不舍，速度越慢。不知道我理解的对还是不对。
你可以把原点放在任何地方，也可以让原点相对于任何物体做小于光速的直线匀速运动，无论怎样，所观察到得结果都是一样的，就是宇宙总是以一样的速度膨胀。
你应该拿一个气球
应该是两个星球之间在膨胀（我10岁）
当今的宇宙学暂时止步于普朗克时间……经常碰到问“起源之前”究竟是什么，每次都解释“没有所谓的之前，因为那是时间的起点”，很别扭，但没有办法，这个已经不是纯粹科学范畴内的问题。。。最后只能扯到超弦上向无始无终的永恒宇宙集合模型求救，企图混过去。。。
二维球面和大爆炸的描述经常给人错觉，这个也是形象比喻的缺陷。。。很多时候，始终还是要抛开常识的印象才能真正理解这些现代宇宙学的结论。
不明白为啥可观测宇宙的大小是970亿光年？宇宙才170亿年历史。
因为宇宙在膨胀。这一“距离”指的是现在这些星系和我们之间的距离，而不是它们发出光线时到我们的距离。
只有比光速快才能做到
宇宙膨胀可以大于光速。
“随着时间的流逝和宇宙的膨胀，会有越来越多的宇宙进入我们的视界，”之前我看到过另一种说法，意思是随着宇宙的膨胀，越远离我们的部分离开的速度越快，比光速还快，也就是说越来越多的时空区域会逃离到宇宙学视界之外。这两种说法谁正确？
宇宙的膨胀速度可以大于光速，我们知道在一列波包，相速度也可能大于光速，我想知道这两者之间有什么本质的区别。或许我们可以把宇宙看成一个波包，往前（往哪里？）传播，然后散开了，传的时间越长，散得越开，各个星球就离得越来越远了。为什么说宇宙膨胀的速度可以大于光速？期待你的回复。文章很不错。
光年是个长度单位，年是时间单位。
是的
是不是当宇宙密度不同的时候光速也是不同的？
因为宇宙膨胀了
既然整个宇宙是不断膨胀的，为什么会出现局部收缩，形成星系、星体这些密度较高的东西呢？地心说，日心说，人类所认识到的“全部”总在不断扩展。谁知道呢，说不定我们的宇宙之外的宇宙正在收缩，牵引我们的宇宙膨胀。
这正恰恰说明了宇宙膨胀和结构形成是两个尺度上的效应，前者的尺度要大于后者。
宇宙是个混沌的首尾相接的圆，膨胀就是一种相对的远离。
发现一个字误，文后的数据最后一个74%似应为反物质？
要是反物质占了宇宙的74%，那我们就真的要完了。
反物质和暗物质是两个概念，不要弄错了
反物质是相对于现在纯在的正物质宇宙来说的
正物质宇宙中是不会含有反物质的
所以74%的暗物质是正确的
这里78%指的的暗能量
一篇新闻说发现过反物质，但很快消失了
Pingback: 科学松鼠会 » [宅]宅男娶媳妇和时空曲率
感觉上这一篇关于天文学的比较容易理解（虽然我也还是一知半解……）
^_^
前段日子在另外一篇文章里面提出过问题没有得到好的答复。
1、微波背景辐射也有 红移现象吗？
2、把背景辐射的 温度会 随着时间 的 推移而降低 吗 ？
3、背景 辐射是宇宙在 某个时刻发出 的 光子，还是 在 一个时间段内 发 出 的 光子、或者在 很长的 一 段时间内发出的光子？
4、红移现象使光波的波长拉长，而微波 背景辐射是 微波，微波是波长很小的电磁波，现在 背景辐射 的 微波 是在原来更加小的电磁波被拉长成现在的微波的吗？
5、随着时间的 推移我们会 在 某一天在再收不 到 背景微波 辐射吗？
是的。
是的。
背景辐射产生于光子和物质的脱耦的那一“刻”，这个时间大约为大爆炸之后38万年。
是的。
背景辐射的波长会越来越长，能量会越来越低，但应该还是可以能被探测到。
谢谢。学习知识了。
其实还有一件需要知道的事情
热寂还有多远....
137亿年：宇宙的年龄，误差几亿年。
930亿光年：目前可观测宇宙的大小。
如果宇宙的确是从一个“点”开始膨胀，假设宇宙近似一个球形，从文中数据，我可以认为球的半径约465亿光年。
那么，目前处在宇宙边缘的物质，在137亿年里，运动了465亿光年的距离，平均速度约光速的3.4倍。
我这种推论正确吗？
137亿年的宇宙怎么看得到930亿光年大小的宇宙？
谁能指点迷津
五、宇宙的外面是什么？
就我们所知，宇宙是无限的。
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无限宇宙的假设可以导出一些诡异的结论。
无限的宇宙意味着其中的物质也可以有无限种随机排列，那么各种异界或是dnd世界、魔兽世界、幻想小说、电影的世界都必定真实的存在于宇宙的某处。就像pi的无限小数中必定可以找到某个子串可以正好用一种简单的编码格式解码为“松鼠会”三个字或者更复杂一些：这篇文章的全部内容与全部回复。
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以某一物质为中心，它想要到达它的视界以外是不可能的。空间膨胀的速度可以大于光速，那么空间不是我们所谓的“物质”，那么暗能量也不是。
我的猜想：物质要到达它的视界边界是不可能的，除非转化为非物质，那么物质和非物质是否可以相互转化？如果可以，那么未来的人类是不能到达视界以外的。
既然是学说，就不能揣测和臆断
既然是学说，就不能揣测和臆断
既然是学说，就不能揣测和臆断
930亿光年会不会是因为高速情况下的相对论效应引发的.
。在此之前永恒的时光里。。形体在不断变化。宙中暗能量的含量。正是它驱动着宇宙加速膨胀。
。在此之前永恒的时光里。。形体在不断变化。宙中暗能量的含量。正是它驱动着宇宙加速膨胀。
这里的气氛真好。
喜欢大家的讨论。
宇宙膨胀的起源来自于高维度层次能量的组织形式由高维度衰变为3维
这是我一直以来得出的猜想
背景辐射为什么无法逃逸出宇宙，而只能被拉长，并且是以一个“整体”变化的？？？那其它时期的呢？？？
你需要定义“逃逸出宇宙”是什么意思，宇宙就是所有的一切，背景光子怎么可能“逃”得出去呢？
凡是知道的或者是不知道的，都统称为宇宙。这是定义！就算有无数个宇宙，也可以把它们合成一个。这是证明！所以，宇宙只能有一个。否则，宇宙2个字要改名字，要重新定义。