宇宙膨胀之谜：空间是被拉伸的，还是被“凭空创造”出来的

人类得出宇宙并非静止这一革命性结论，距今已经将近一个世纪。

爱因斯坦广义相对论最反直觉的预言之一是，只要宇宙中均匀充满了某种物质、辐射或能量，它就不可能同时保持静止且稳定。

它要么膨胀，要么收缩，这一结论最早由亚历山大·弗里德曼在1922年从纯理论角度独立推导出来，随后乔治·勒梅特在1927年首次将理论与观测结合，得出宇宙正在膨胀的判断，霍华德·罗伯逊也在1929年针对一种特殊时空独立得出了相同结论。

几乎在同一时期，天文观测开始显示，天空中那些螺旋状与椭圆状的天体，其实是位于银河系之外的独立星系。

借助更强大的观测手段，天文学家发现，一个星系距离我们越远，它传来的光就会呈现越明显的红移，也就是被观测到的波长会变得更长。

这就仿佛光在穿越空间的旅程中，本身的波长发生了改变。

但在这一过程中，空间这块"织物"本身到底发生了什么？理解这一点是现代天体物理学中最棘手的问题之一。

广义相对论如何描述空间的演化

理解这一切的起点，必须回到广义相对论本身，这是爱因斯坦提出的现代引力理论。

广义相对论的核心，在于把两个看似不相关的事物联系了起来，一个是宇宙中能量的数量、分布与类型，包括物质、反物质、暗物质、辐射和中微子等等，另一个则是底层时空的几何结构。

如果宇宙中完全空无一物，我们得到的将是人们熟悉的、平直不变的牛顿式空间。

但假如在宇宙中放入一个点质量，空间就会按照施瓦西时空的方式发生弯曲，任何被放入这一宇宙中的"测试粒子"，都会沿着特定轨迹流向这个质量。

如果这个点质量本身还在旋转，空间弯曲的方式会变得更加复杂，遵循克尔度规所描述的规律。

不过，这类时空仍然属于"静态"范畴，因为其中包含的各种距离尺度并不会随时间发生变化。

真正让局面变得不同的是另一种情形，也就是让宇宙均匀充满某种"物质"，而不是仅仅放入孤立的质量源。

宇宙学中通常假设的两个前提是各向同性与均匀性，各向同性意味着宇宙在任何方向上看起来都一样，均匀性则意味着宇宙在任何位置的密度、温度与膨胀速率都基本相同。

辐射说"空间在拉伸"，暗能量说"空间在被创造"

在这种情形下，广义相对论的方程不仅要求宇宙必须演化，还明确规定了演化的方式，这套方程正是弗里德曼在1922年推导出的弗里德曼方程。

问题的关键在于，"膨胀"或"收缩"对空间本身而言，究竟意味着什么？空间本身并不是一种可以被直接测量的实体，人们只能通过观测物质、反物质和光等可观测事物受到的影响，来推断空间本身正在发生什么。

物质是宇宙中最简单的一种"存在"，它的总量在宇宙膨胀过程中保持不变，而容纳它的空间体积却在不断增大，因此物质的密度会随着宇宙膨胀而降低。

辐射的情况也类似，随着宇宙膨胀，光的波长会朝着红端偏移，变得更长，这正是宇宙膨胀最早被探测到的方式。

但宇宙中还存在暗能量，这是一种似乎并非以粒子形式存在、而是内禀于空间本身的能量形式。

通过观测遥远天体的红移与距离之间的关系，天文学家推算出，如今的宇宙中大约有三分之二是暗能量，而且暗能量的能量密度并不会随着宇宙膨胀而改变。

综合各类观测数据后可以得出，当今宇宙的膨胀速率大约为每百万秒差距70公里每秒，也就是说，两个天体之间每相距一百万秒差距（约合326万光年），膨胀效应就会带来相当于70公里每秒退行速度的红移。

将今天的观测结果向过去外推，还可以推算出宇宙历史上不同阶段各类能量所占的主导地位，如今的宇宙大约由0.008%的辐射、0.1%的中微子、4.9%的普通物质、27%的暗物质以及68%的暗能量构成。

值得注意的是，宇宙对这些不同形式的能量，其响应方式存在本质差异。

对于充满辐射的宇宙而言，由于波长会随着宇宙膨胀而拉长，"空间被拉伸"这一比喻是成立的。

但暗能量的能量密度始终保持不变，随着宇宙体积增大，其总能量也在增加，从暗能量的角度看，这就仿佛宇宙膨胀正在不断创造出新的空间。

两种比喻各有边界，都非终极答案

由此得出的核心结论是，这两种解释都不能放之四海而皆准，一种能够很好地解释辐射及其他高能粒子的行为，另一种则更适合解释暗能量以及任何内禀于空间本身的能量形式的行为。

与人们通常的直觉相反，空间并不是一种可以像探测器中的粒子那样被直接测量的物理实体。

它更像是宇宙这出"戏剧"上演的舞台与背景。

天文学家通过测量宇宙各处可探测到的粒子与量子，来推断空间本身的性质，并依据广义相对论的规则，预测空间将如何弯曲与演化。

宇宙中的一切辐射，包括每一道引力波，其行为都仿佛空间正在被拉伸，尽管空间本身并没有真的变薄。

宇宙中的暗能量，其行为则仿佛新的空间正在被不断创造出来，尽管人们并没有任何手段能够直接探测到这种"创造"过程本身。

广义相对论能够告诉我们空间如何运作、如何演化，并如何影响其中的能量，但它无法从哲学层面告诉我们空间究竟"是"什么。

在试图理解宇宙的过程中，人们必须认识到，不应在可观测的事实之上，再强行叠加多余的结构与臆测。

空间既没有真正被拉伸，也没有真正被凭空创造，它只是按照爱因斯坦理论所描述的方式，如其所是地存在着。