宇宙是怎样膨胀的？它的结局和过去是怎样的状态？

勒梅特在1927年就提出宇宙在膨胀，1929年哈勃就测量出了星系的距离和红移之间的关系，证实了勒梅特的说法。

这里需要注意的是，星系在远离我们，并不是因为星系相对于空间的运动造成的，而是星系和星系之间的空间发生了膨胀，星系相对于空间并没有动，但空间的膨胀也会导致我们看到的星系在远离我们。

那么空间是怎样膨胀的？对于理解这个问题，爱丁顿曾经就举了一个非常形象的例子，这个例子到现在依旧是用来科普最好的说法了。

就是说，在一个气球上粘一些硬币，现在我们慢慢地把气球吹大，在气球膨胀的过程中，硬币之间的距离会不断地扩大，但是硬币并没有相对于气球表面在移动。

而且不管从哪个硬币的视角看，都满足哈勃膨胀定律，距离越远，远离的速度越快。这确实是一个非常好的例子，但是这个例子的缺陷是，把三维空间的膨胀类比到了二维空间上了。

所以我这里还有一个三维空间的类比，一个揉好的面团，在面团里面均匀地放上葡萄干，现在把这个面团放进烤箱里，这就是我们烤面包，蒸馍的过程。

那么随着面团的膨胀，虽然里面的葡萄干相对于面团没有移动，但它们之间的距离却增大了，也满足哈勃的膨胀定律。

不过在面团这个类比中也有缺陷，因为面团这个宇宙它有中心，而且有边界，所以它不是一个各向同性的宇宙，而我们真实的宇宙是没有中心和边界的，这跟气球表面的那个类比一样，你看，在气球的表面上，它没有中心，也没有边界，但大小有限，这一点很符合我们真实的宇宙。

所以这两个类比各有各的优点，但都不完美，不过他俩结合起来应该能让你了解我们的宇宙是怎样膨胀的。

自从人们确定了宇宙在膨胀以后，就开始了对宇宙的未来和过去的思考。如果往未来看，空间的膨胀势必会让物质之间的距离越来越远，这就会造成宇宙的能量密度会越来越低。

膨胀的空间还会不断地拉长其中辐射粒子的波长，这就会造成宇宙的温度会越来越低，所以当时人们就想，一个膨胀的宇宙会给我们带来怎样的结局？

不难想象，在宇宙膨胀的过程中，有两种力在互相拉扯、对抗，其中一个就是宇宙的膨胀率，另外一个就是宇宙中物质之间的引力，它一直在对抗着宇宙的膨胀。

所以总的来说，我们的宇宙从诞生以后，一直都处在减速膨胀的过程中，虽然是减速膨胀，但依旧有三种可能的结局：

第一种，虽然引力一直减慢宇宙的膨胀率，但是由于物质和能量的密度不够，且在不断地下降，引力只能在小尺度上把物质束缚在一起，比如形成星系、星系团这些结构，但在更大的尺度上，引力并不能把整个宇宙的膨胀率降到0，或者是变为负数，整个宇宙的膨胀率依然会以一个不为零的正数，匀速的一直膨胀下去。这样的结局会导致，宇宙的物质越来越稀疏，温度越来越低，所以称为大冻结，在热力学上，也叫热寂。

第二种情况正好就跟第一种情况相反了，引力不仅能在小尺度上起作用，一直在大尺度上也具有掌控力，整个宇宙会在膨胀率的作用下达到一个最大的体积，然后引力回将膨胀率将为零，并且会逆转膨胀，使得整个宇宙开始坍缩，最终整个宇宙会回到那个大爆炸的起点。这种情况称为大坍缩。

第三种情况就比较有意思了，它处在了第一种和第二种的中间状态，引力和膨胀率谁都没有获胜，他们完美地达到了一种平衡状态，引力不会让膨胀率降到零，而是会无限的趋近于零，宇宙的大小会达到一个最大值，它不会在变大，也不会在变小。

以上的三种可能是人们在上世纪的30年代，根据宇宙膨胀的观测结果，和爱因斯坦的广义相对论所推导出来的三种可能的宇宙结局，都是基于宇宙在减速膨胀所推到的结果。

但后来人们发现宇宙在加速膨胀，那就是另外一回事了，后面我们说暗能量的时候会详细地说。

根据宇宙的膨胀人们在考虑了宇宙的未来以后，肯定就要思考宇宙的过去了，如果把这个问题交给你，你肯定也能够想到，现在宇宙在变大，在过去宇宙肯定会更小。

那么问题是，宇宙在变小的时候，其中的物质和辐射会发生啥变化？

首先，能够想到的是，如果物质和辐射的总量没有变化的话，那么宇宙体积的减小，物质和辐射的密度就会增加，也就是今天宇宙中所有的东西会挨得更近。

但是辐射的性质更加奇妙，我们知道物质能量来自于它所含的质量，这是不会变化的，可辐射没有质量，它的能量取决于它的波长，波长越小能量越大，波长越长能量越小。

那么在宇宙不断变小的时候，辐射除了密度会增加以外，它的波长也会缩短，比如说，如果宇宙的尺度缩小到今天一半的时候，物质和辐射的密度会增加到今天的8倍，除此之外，光子的波长就会变为今天的1/2，那它所携带的能量会增加2倍，在加上光子密度的增加，那么光子的总能量会比现在高16倍。

这种指数增长非常快，如果我们不断地往回追溯的话，光子的能量会越来越高，能量高意味着啥？意味着温度会越来越高，那么根据宇宙膨胀的反推，我们就能知道宇宙早期就是一个密度极高、温度极高、体积极小的状态。

那么现在我们知道了宇宙早期的状态，这对我们了解宇宙起源，物质形成有何帮助呢？这就是我们下节课的内容，物理学家伽莫夫首次为我们描述了宇宙早期的创世时刻，它预言了大爆炸核合成以及微波背景辐射的存在。

这两个预言和宇宙膨胀，最后也就称为宇宙大爆炸理论的三大基础。

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发布媒体：好百科 作者：量子科学论