如果宇宙在膨胀，我们也在膨胀吗？

上个世纪最具革命性的发现之一是，宇宙并不是永远静止不变的，而是活跃在膨胀的过程中。大约138亿年前，在炎热的大爆炸的早期阶段，我们可以观察到的宇宙还不到一个城市街区的大小，可能有足球那么小；今天，它向各个方向延伸了超过460亿光年。如果宇宙在膨胀，那么这对其中的物体意味着什么？星系在膨胀吗？那么恒星、行星、人类，甚至原子本身呢？这正是哈拉尔德·希克(Harald Hick)想知道的，他写信问道：

“在膨胀宇宙的‘葡萄干面包’模型中，葡萄干也会膨胀吗？也就是说，所有的原子都会随着宇宙的膨胀而增大吗？“。

这是一个深刻的问题，它的答案可能不是你所期望的。以下是如何解决这一问题的方法。

当爱因斯坦第一次提出他的新相对论时，它永远地改变了我们对空间和时间的看法。空间不像三维网格那样是固定的，任何两点之间都有公认的距离。时间也不是一个连续流动的实体，你可以同步你的时钟，移动到你喜欢的任何地方，并确信你的时钟与其他任何人的时钟读数相同。相反，我们认为空间和时间是相对的：你在空间中的运动会影响你在时间中的运动，反之亦然。

这是狭义相对论背后的核心思想，它使我们抛弃了“绝对空间”和“绝对时间”的旧观念，取而代之的是时空的概念。根据爱因斯坦定律，当你相对于另一个观察者在太空中移动时，你的时钟似乎运行不同。狭义相对论对于所有观测者来说都是完美的，无论他们是静止的还是运动的，它代表着对我们宇宙的理解超越了牛顿最初的运动定律的巨大飞跃。

但是，尽管这个想法很聪明，但它并不包括地心引力。古老的牛顿引力图景与生俱来地与距离和时间的绝对概念联系在一起，与时空概念不相容。爱因斯坦花了十多年的时间才将引力纳入其中，将我们从狭义相对论带入广义相对论：将物质和能量纳入方程式。

与狭义相对论的扁平时空不同，物质和能量的存在允许时空成为动态实体。宇宙不再必然是静态的，它可以膨胀或收缩，这取决于其中的内容。物质和能量告诉时空如何弯曲，弯曲的时空决定了物质和能量如何运动。

这种关系在100多年前首次提出，经过了大量实验和观察的检验，爱因斯坦的理论每一次都通过了。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，而且适用于巨大的宇宙尺度，使我们自己的宇宙相形见绌：星系、星系团，甚至整个宇宙本身。

最后一部分特别吸引人：如果我们拿一个(平均而言)均匀充满物质和/或能量的宇宙--包括不同形式的物质和/或能量的组合--来说，这个宇宙要么膨胀，要么收缩。它不能保持静止状态超过一瞬间，即使它是在一个瞬间开始的。1922年，亚历山大·弗里德曼(Alexander Friedmann)证明了这一点，他从爱因斯坦的理论派生出弗里德曼方程：支配宇宙膨胀的方程。

就在第二年，埃德温·哈勃(Edwin Hubble)测量了到仙女座的距离，确定这个“螺旋星云”实际上是它自己的星系，远远超出了银河系。随后，我们测量了到大量星系的距离，同时独立获得了来自这些星系的光的测量结果。我们的发现，几乎是普遍的，如下所示。

这是正确的，即使在较远的星系内的恒星，平均来说，比我们在附近星系中看到的恒星在本质上更“蓝”。

对此的解释与这样一种观点是一致的，即星系发出的光--其频率和波长与我们银河系发出的光的频率和波长相同--正因宇宙的膨胀而发生红移。

另一种解释，如“疲惫的光”，与观测结果不符，只留下那些包括膨胀宇宙在内的解释是可行的。综上所述，我们无法逃脱这样的结论：宇宙本身正在膨胀，而这种膨胀是观测到的来自遥远地方的光线红移的原因。

虽然许多流行的概念将膨胀的宇宙描绘成气球状，但这种类比也有其缺陷。首先，我们的宇宙有三维的空间(还有一个时间，组成一个四维的时空)，而不是二维的。气球有一个有意义的“中心”，向气球中注入空气会使二维表面膨胀。相反，我们的宇宙没有明确的中心，但与爱因斯坦的相对论一致，它取决于观察者。

相反，也许最好的类比是一团发酵的面团，里面有葡萄干：葡萄干面包。如果你把这个面团想象成(我们的三维)空间的结构，把葡萄干想象成其中的物体，你就能认出任何“葡萄干”就是你自己：观察者。从你的角度来看，葡萄干似乎离你更远，更远的葡萄干似乎比更近的葡萄干后退得更快、更严重。事实上，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了红移。

但是葡萄干本身所代表的物品呢？它们内部的空间也会扩大吗？我们可以通过计算来确定膨胀会是什么样子。

我们测量宇宙的膨胀速度(即使我们目前仍有争议)，大约是70公里/秒/分钟/秒，这意味着每百万秒之外就有一颗“葡萄干”，我们会看到它似乎在以70公里/秒的速度后退。不幸的是，百万秒是巨大的：大约330万光年。如果我们把它缩小到地球的大小--更像是12700千米大小--我们预计地球将以每秒0.1毫米的速度膨胀。随着时间的推移，这将大大增加，我们会注意到。

我们的详细测量表明，至少在地球上，物体并没有膨胀。即使考虑到宇宙的巨大规模和行星及其上的物体相对较小的尺寸，也有可能通过实验来证明这一点。LIGO引力波探测器对小于质子宽度0.1%的距离变化很敏感。量子力学实验可以测量原子的性质，精确度可以达到十亿分之一，而几十年甚至一个世纪的精确测量也可以与之相提并论。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的推移以这种方式变化。

这是意料之中的，如果你想一想膨胀的宇宙与之对抗的是什么：实实在在的作用力。一方面，我们有物体之间的力：电磁力、引力或任何其他你想要考虑的基本力。如果宇宙根本不在膨胀，你就可以计算出任何东西的大小--原子、地球、星系、一组/星系团等等--只需了解起作用的物理力和所涉及的粒子/物体的动力学就可以了。(这句话的意思是：“如果宇宙没有膨胀，你就可以计算出任何东西的大小--原子、地球、星系、一组星系等等)。”

在这些系统中，事实上在任何受约束的系统中(不管是什么力约束它)，所涉及的力所引起的动力学在大小上超过膨胀的宇宙所能引起的。这是你经常听到物理学家说的一个极好的近似值：只有被束缚的物体之间的空间才会膨胀。对于被束缚的物体本身，起作用的力量压倒了原本膨胀的宇宙的动态，膨胀就被克服了。

但这并不意味着膨胀的宇宙没有发挥任何作用。如果我们考虑一个空的、不膨胀的宇宙中的一个点质量，它将表现为一个不带电荷、不旋转的黑洞：一个施瓦茨柴尔德黑洞。会有一个固定半径的视界：施瓦茨希尔半径，它完全由它的质量决定。但如果你加入额外的成分--比如一点暗能量(或宇宙常数)，这是我们现实宇宙中存在的一种能量形式--事情就会发生微小但重要的变化。

这种向外的“推动”会导致视界外的宇宙膨胀，但也会导致视界的位置稍微向外推一点，否则它就会在一个空旷的宇宙中。“。这种差异极其微小，与我们宇宙中发现的能量和质量的现实值相比微乎其微，但它说明了一点：宇宙的膨胀确实影响了其中的物体，但它是通过改变它们的“平衡”大小的值来实现的，而不是通过导致它们膨胀来实现的。

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--是否正在影响其中物体大小的平衡值。我们测量物体的本来面目，宇宙膨胀可能产生的任何差异都不会影响我们能够测量它们的精确度。膨胀宇宙的影响只是开始出现在你可能认为是过渡区的地方：在非常接近被束缚和未被束缚的边界的结构的郊区。

但我们可以肯定的是，原子、人类、行星、恒星和星系都不会随着宇宙的膨胀而膨胀。膨胀(或收缩)的宇宙对已经被束缚的结构的唯一影响是略微改变它们的大小：通过增加(或减少)膨胀空间所带来的附加效应来增加(或减少)它们的大小。正如天体物理学家凯蒂·麦克(Katie Mack)所说：

“宇宙在扩展，就像你的头脑在扩展一样。它并没有扩展成任何东西；你只是变得不那么密集了。

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