宇宙加速膨胀的终极悖论：为何我们看不到它在发生

宇宙正在加速膨胀，这是20世纪最伟大的科学发现之一。1998年，两个研究团队通过观察超新星获得了这个令人震惊的结论，并因此赢得了诺贝尔物理学奖。遥远的星系正在以越来越快的速度远离我们。有些星系远离得如此之快，它们的速度甚至超过了光速。但这里出现了一个令人困惑的悖论：如果宇宙真的在不断加速膨胀，为什么我们不能直接看到它发生呢？为什么我们不能通过观察单个星系，看着它在我们的眼前以越来越快的速度远离我们？

在宇宙大爆炸之初，宇宙处于快速膨胀状态，充满了高能、高密度、超相对论性的量子。早期辐射主导宇宙的阶段之后，经历了几个辐射次要但从未完全消失的阶段。与此同时，物质逐渐聚集形成气体云、恒星、星团、星系，以及随着时间的推移而形成的更为复杂的结构，而宇宙也持续膨胀。宇宙的膨胀速率取决于宇宙中所有能量形式的总和，这使得我们观测到的宇宙膨胀与宇宙的能量含量密切相关。图片来源：Big Think / Ben Gibson / NASA / Pablo Carlos Budassi

问题的关键在于尺度。我们的宇宙已经137亿岁了。即使是最遥远的星系距离我们也有超过100亿光年。相比之下，人类的观测历史只有几十年，这就像一只蚂蚁试图通过观察一座山来检测地球的自转。对于最遥远的星系MoM-z14来说，其速度每年大约增加5厘米每秒。这个数字小得令人绝望，远远超出了任何现存地面或太空望远镜的观测能力。

正如维斯托·斯利弗在20世纪10年代首次指出的那样，我们观测到的一些天体显示出特定原子、离子或分子的吸收或发射光谱特征，但这些特征会系统性地向光谱的红色端或蓝色端偏移。结合这些天体的距离测量数据，这些数据催生了宇宙膨胀的最初概念：星系距离我们越远，其光线在我们肉眼和仪器观测下呈现的红移现象就越明显。图片来源：Vesto Slipher，1917，Proc。阿米尔。菲尔.苏克。

\间接测量与直接证据的寻求

长期以来，科学家们通过一种巧妙的变通方法来推断宇宙膨胀。他们观测大量不同距离的星系，测量它们的红移值，然后将数据汇总。红移是光波被宇宙膨胀拉伸所导致的现象，使得遥远星系发出的光线向光谱的红色端偏移。距离越远的星系，红移值越大。通过哈勃定律，研究人员可以推断出宇宙膨胀的速率。

左图是埃德温·哈勃于1929年绘制的星系距离与红移关系图，确立了宇宙膨胀的趋势；右图则是大约70年后绘制的更现代的对应图。为了确定天体距离与其视退行速度之间的关系（视退行速度可由其光相对于我们的红移推断得出），研究人员使用了多种不同类型的天体和测量方法。正如你所看到的，从近邻宇宙（左下）到超过十亿光年的遥远区域（右上），这种非常一致的红移-距离关系始终成立。哈勃图表的早期版本由乔治·勒梅特（1927年）和霍华德·罗伯逊（1928年）利用哈勃的初步数据绘制而成。图片来源：E. Hubble；R. Kirshner，《美国国家科学院院刊》，2004 年

但这种方法存在一个致命的缺陷：它是间接的。我们观测的是许多不同时间点的星系，但我们实际上是在一个固定的时间观测它们。换句话说，我们看到的是宇宙膨胀的"快照"，而不是"电影"。

科学家们一直在寻求突破这一局限。所谓的"红移漂移"或"Sandage-Loeb效应"代表了这种寻求的希望。简单来说，如果我们能够在相隔足够长的时间内（比如5到10年）观测同一个遥远的星系两次，测量其红移的变化，我们就能直接检测到宇宙膨胀的加速。这是宇宙膨胀的"实时秒表"。

新的可能性与挑战

这张图展示了Pantheon+分析中包含的1550颗超新星，以星等为纵坐标，红移为横坐标绘制而成。几十年来（自1998年以来），超新星数据一直指向一个特殊的宇宙膨胀模式，这种模式需要物质、辐射和/或空间曲率之外的某种东西：一种驱动宇宙膨胀的新型能量，即暗能量。所有超新星都落在我们标准宇宙学模型预测的曲线上，即使是红移最高、距离最远的Ia型超新星也符合这一简单的关系。因此，精确校准这一关系至关重要。图片来源：D. Brout 等人/Pantheon+，《天体物理学杂志》，2022 年

最近的发展为这个梦想注入了新的活力。詹姆斯·韦伯太空望远镜的成功运作，以及地面巨型望远镜（如极大望远镜和巨型麦哲伦望远镜）的建设进展，让科学家们看到了曙光。这些新一代望远镜有望实现前所未有的测量精度。但即使如此，直接观测单个星系速度的变化仍然极其困难。

这段简化的动画展示了光红移以及在膨胀的宇宙中，非束缚天体之间的距离如何随时间变化。请注意，天体最初的距离小于光在它们之间传播所需的时间，由于空间膨胀，光发生了红移，最终两个星系之间的距离远远大于它们之间交换的光子所经过的光程。图片来源：罗伯·诺普

在不断膨胀的宇宙中，物质（上图）、辐射（中图）和暗能量/暴胀能量（下图）如何随时间演化？随着宇宙膨胀，物质密度降低，辐射波长拉伸至更长、能量更低的状态，温度也随之降低。另一方面，如果暗能量（或暴胀能量）的行为符合目前的认知——即它是空间本身固有的一种能量形式——那么它的密度将保持不变。这三个组成部分共同决定了宇宙从大爆炸至今乃至更远时期的膨胀方式。图片来源：E. Siegel/Beyond The Galaxy

然而，科学家们发现了一个巧妙的替代方案：利用引力透镜效应。当前景的大质量天体对背景光源进行引力弯曲时，会产生该光源的多个像。由于光走过不同路径需要的时间不同，我们看到的多个像对应于不同的宇宙时间点。最近，研究人员在JWST的观测中发现了一颗名为SN Ares的超新星，它在同一星系的多个透镜像之间出现了约60年的时间延迟。

宇宙能量密度的各种组成部分及其贡献者，以及它们何时可能占据主导地位。值得注意的是，在大约最初的9000年里，辐射占据主导地位，之后物质占据主导地位，最终，宇宙常数出现。（其他因素，例如宇宙弦和畴壁，似乎并不以可忽略的量存在。）然而，暗能量可能并非严格意义上的宇宙常数，但其值仍可能随时间变化，变化幅度可达约4%。未来的观测将进一步限制这一结论。图片来源：E. Siegel / Beyond the Galaxy

这意味着我们可以在同一时刻观测该超新星的两幅图像，而这两幅图像实际上相隔60年的宇宙时间。这等同于进行了一次长期的宇宙学观测，而无需真正等待60年。两幅图像之间的红移差异可以直接揭示宇宙膨胀的加速特性。

通过回溯时间和距离（即“今天”左侧的时间点），我们可以了解宇宙在未来遥远时期将如何演化以及加速/减速。通过将宇宙膨胀率与其物质和能量含量联系起来，并测量膨胀率，我们可以估算出自热大爆炸开始以来所经过的时间。20世纪90年代末的超新星数据是第一组表明我们生活在一个富含暗能量的宇宙中，而非一个以物质和辐射为主导的宇宙中的数据；这些数据点位于“今天”左侧，明显偏离了20世纪大部分时间里占据主导地位的标准“减速”模型。图片来源：Saul Perlmutter/加州大学伯克利分校

2024年和2025年带来了额外的意外发现。韩国延世大学的研究人员发表论文指出，宇宙的膨胀速度可能并未继续加快，而是开始减速。暗能量的强度也许正在随时间衰减。这挑战了过去30年的标准理论，并为理解宇宙的最终命运带来了新的问题。如果暗能量真的在衰弱，那么未来的宇宙可能不会永远加速膨胀，而是有朝一日会经历"大挤压"，所有星系被重新拉回。

这张图展示了目前已确认的星系 MoM-z14 的近红外相机（NIRCam，上图）和近红外光谱仪（NIRSpec，下图）数据。截至 2025 年 5 月，MoM-z14 是已知最遥远的星系。由于宇宙膨胀，其光线在 1.5 微米及以下波长范围内完全不可见。下图所示的光谱中可以看到各种电离原子的发射特征，以及显著且强烈的莱曼断裂特征。图片来源：RP Naidu 等人，《开放天体物理学杂志》（已投稿）/arXiv:2505.11263，2025 年v

现在我们终于站在了直接观测宇宙膨胀的门槛上。新的望远镜、新的观测方法和新的数据正在改变我们对宇宙的理解。我们不再需要依赖间接推理，而是可以像看电影一样观看宇宙膨胀的过程。这个转变不仅是技术进步的胜利，更是我们对宇宙本质理解的深化。我们即将亲眼见证宇宙最大的秘密之一。