如果宇宙在膨胀，我们也在膨胀吗？

上个世纪最革命性的发现之一是，宇宙不是永远静止不变的，而是在不断发展的过程中处于活跃状态。大约138亿年前，在炽热的大爆炸的最早阶段，我们可观察到的宇宙还不到一个城市街区的大小，甚至可能只有足球那么小。今天，它在各个方向上的延伸超过460亿光年。如果宇宙正在膨胀，那么这对于其中的物体意味着什么？ 星系正在膨胀吗？ 那么恒星、行星、人类甚至原子本身呢？

这是一个很深奥的问题，它的答案可能不是你所期望的。

当爱因斯坦首次提出相对论时，它永远改变了我们对时空的看法。空间并非像三维网格那样固定，任何两点之间的距离都是公认的。时间也不是一个连续不断的实体，您可以在其中同步时钟，将时钟移到任意位置，并确信自己的时钟读数与其他人一样。相反，我们将空间和时间视为相对的：您在空间中的运动会影响您在时间中的运动，反之亦然。

这是狭义相对论背后的核心思想，这使我们抛弃了我们关于“绝对空间”和“绝对时间”的旧思想，取而代之的是时空概念。根据爱因斯坦的定律，当您相对于另一个观察者在太空中移动时，您的时钟似乎以不同的方式运行。相对论对于所有观察者来说都是静止的还是运动的，它都非常适合，并且代表了我们对牛顿原始运动定律的理解的巨大飞跃。

但是，尽管这个想法很棒，但并不包含引力。牛顿的引力理论只将距离和时间的绝对概念联系在一起，而没有将时空的概念融入其中。爱因斯坦用了十多年的时间将引力带入了其中，使我们从狭义相对论转向了广义相对论：将物质和能量纳入方程。

物质和能量的存在代替了狭义相对论的平坦时空，而是使时空成为动态实体。宇宙不再局限于静态，它可以根据其中的内容进行膨胀或收缩。物质和能量告诉时空如何弯曲，而弯曲的时空决定了物质和能量的移动方式。

这种关系最早是在100多年前提出的，已经通过大量的实验和观察进行了检验，爱因斯坦的理论与实验和观察相吻合。广义相对论不仅适用于我们在地球和太阳系其他地方发现的引力，而且适用于巨大宇宙尺度：星系、星系团、甚至整个宇宙本身。

最后一部分特别令人着迷：如果我们采用一个平均（均匀）充满物质和/或能量（包括不同形式的物质和/或能量的组合）的宇宙，那么宇宙必须是膨胀或收缩的。即使它在一开始就不能保持静态超过一瞬间。1922年，亚历山大·弗里德曼（Alexander Friedmann）证明了这一点，它源于爱因斯坦的理论，即弗里德曼方程：控制宇宙膨胀的方程。

第二年，埃德温·哈勃（Edwin Hubble）测量了距仙女座星系（Andromeda）的距离，确定该“螺旋星云”实际上是其自身的星系，其位置超出了银河系的范围。随后，我们测量了到大量星系的距离，同时还独立获得了来自它们的光的测量结果。我们发现了以下内容。

星系越远，它的光越红。即使距离更遥远的星系中的恒星平均而言比我们在附近星系中看到的恒星在本质上“更蓝”，这也是事实。对此的解释与这样的想法是一致的：宇宙膨胀后，由星系发出的频率和波长与我们自己的银河中所发射的光具有相同频率和波长的光一致。诸如“疲倦的光”之类的替代性解释与观察结果不同，仅保留了那些包括不断膨胀的宇宙在内的解释。综上所述，没有一个无法回避的结论：宇宙本身正在膨胀，而膨胀是观察到的来自远处的光的红移的原因。

图注：这个简化的动画显示了在不断膨胀的宇宙中，光如何发生红移以及未绑定对象之间的距离如何随时间变化。请注意，这些物体的开始距离比光在它们之间传播所花费的时间更近，由于空间的扩大，光会发生红移，并且两个星系的距离比交换的光子所走的光旅行路径远得多。

尽管许多流行的概念将不断膨胀的宇宙显示为气球状，但这种类比有其缺陷。首先，我们的宇宙具有三个维度的空间（一个时间构成了一个三维时空），而不是两个。气球具有有意义的“中心”，将空气注入其中会导致二维表面膨胀。相反，我们的宇宙没有明确定义的中心，但是根据爱因斯坦的相对论，它取决于观察者。

取而代之的是，也许最好的比喻是面团中放有葡萄干的发酵球：葡萄干面包。如果您将这个面团团想象成（我们的三维）空间的结构，而将葡萄干想象成其中的物体，则可以将任何“葡萄干”识别为自己：观察者。从您的角度来看，葡萄干似乎会远离您，而距离较近的葡萄干则显得更快，更严重。实际上，葡萄干本身并没有相对于它们占据的空间移动，而是葡萄干之间的空间在扩大，导致它们发出的光在到达我们的眼睛之前发生红移。

但是葡萄干本身代表的物体呢？它们内部的空间也会扩大吗？我们可以进行计算以确定该膨胀将是什么样。

图注：膨胀宇宙的"葡萄干面包"模型，相对距离随着空间（面团）的扩大而增加。请注意，葡萄干本身没有膨胀，只有面团是。然而，个别葡萄干似乎会远离所有其他葡萄干取决于它们之间的距离。

当我们测量时，即使是在我们目前仍在争论的情况下，宇宙的膨胀率大约为70 km / s / Mpc，这意味着对于每兆兆秒的距离，“葡萄干”是以70 km / s的速度后退。不幸的是，兆帕秒是巨大的：大约330万光年。如果我们将其缩小到地球的大小（大约12700公里），那么我们期望地球以每秒0.1毫米的速度膨胀。随着时间的流逝，这将大大增加，我们会注意到。

我们的详细测量显示，至少在地球上，物体没有膨胀。即使宇宙的尺度巨大，行星及其上的物体相对较小，也可以做一些实验来证明。LIGO引力波探测器对距离变化敏感，其距离宽度小于质子宽度的0.1%。量子力学实验可以测量原子的特性，精确到十亿分之一的精度，可以比几十年甚至一个世纪前的更精确。答案是肯定的，我们知道：地球和地球上的原子都不会随着时间而以这种方式改变。

如果您考虑正在膨胀的宇宙所对抗的东西是什么：实际就是力。 一方面，我们在对象之间具有作用力：电磁、引力或您要考虑的任何其他基本作用力。如果宇宙根本没有膨胀，那么您只需了解正在发挥作用的物理力和动力学，就可以计算出任何东西的大小——原子、地球、星系，星系团等。

在这些系统中，实际上，在任何受约束的系统中（无论受其约束的力量如何），所涉及的力会导致动力学的幅度大于膨胀的宇宙所能引起的幅度。可以很好地说明物理学家经常说的话：这只是绑定对象之间膨胀的空间。对于绑定对象本身，作用力使原本正在膨胀的宇宙的动力学无法承受，并且克服了扩展。

但这并不意味着正在膨胀的宇宙根本没有发挥任何作用。如果我们在原本为空的、不膨胀的宇宙中考虑点质量，则该点质量将表现为不带电，不旋转的黑洞：史瓦西（Schwarzschild）黑洞。会有一个固定半径的事件范围：史瓦西（Schwarzschild）半径，它仅由其质量确定。但是，如果您添加其他成分，例如一点暗能量（或宇宙常数），这是我们现实的宇宙中存在的一种能量形式，则事物会以微小但重要的方式发生变化。

向外的“推动”会导致宇宙在事件视界之外膨胀，但也会导致事件视界的位置稍微超出其在原本为空的宇宙中的位置。这种差异非常微小，对于我们宇宙中发现的能量和质量的实际值是无法察觉的，但它说明了一个观点：宇宙的膨胀确实会影响其中的物体，但这是通过改变其“平衡”的值来实现的，而不是通过使其膨胀来实现。

我们仍然不知道地球上的空间（从原子中的空间到行星周围的空间，再到整个银河系的空间）是否正在影响其中的物体大小的平衡值。我们按原样测量物体，并且由于宇宙膨胀而产生的任何差异均不会影响我们以能够测量物体的精度进行测量的物体。膨胀的宇宙的影响只会在您可能认为的过渡区域中开始出现：在结构的郊区，该结构非常靠近受约束与不受约束的边界。

但是我们可以确定，原子、人类、行星、恒星和星系不会随着宇宙的膨胀而膨胀。膨胀（或收缩）的宇宙对已绑定结构的唯一影响是稍微改变其大小：通过膨胀空间所带来的附加影响来增加（或减小）它的大小。正如天体物理学家凯蒂·麦克（Katie Mack）所说的那样：

“宇宙正在膨胀您的思维方式。它没有膨胀到任何东西；你只是变得不那么密集了。”