宇宙一直在膨脹，為啥你不會受其影響而變胖？

作者：Ethan Siegel（翻譯：山寺小沙彌）

編輯：Lixy

審校：yangfz

宇宙膨脹就如腦袋里天馬星空的想法，它不會演化成異類，只是變得更加稀疏罷了。

—— 凱蒂·麥克

如果宇宙在膨脹，我們不難理解遠處的星系一直在遠離我們，那么問題來了，為什么行星、原子就不膨脹呢？

宇宙膨脹是20世紀重大發現之一。無論是鄰近的星系還是遙遠的星系都在遠離我們，只是遙遠的星系遠離的速度更快些，就好像整個空間正在被拉伸。從宏觀的角度來看，在過去的幾十億年里，宇宙的物質和能量密度一直在減小，并且這樣的現象隨著時間推移將繼續下去。假如我們能看得到足夠遠的距離，我們會發現遠處的星系好像是被快速推開，速度之快難以想象，我們發射的任何信號都無法到達這些星系，即使信號的傳播速度為光速。但是，如果連光速都追不上，是不是存在悖論呢？這就是肯特哈德遜想知道的：

假如宇宙以超過光速的速度膨脹，為什么我們的太陽系各行星之間的距離不受影響呢？為什么各個行星之間的距離不會增加呢？

肯特哈德遜的想法是對的，隨著宇宙的膨脹，太陽系中行星和恒星之間的距離都不會增加。那么，究竟是什么在膨脹？讓我們一起來看看吧。

牛頓對于宇宙的認識，宇宙是一張完全固定的網格，物質在這張網上相互作用

牛頓曾經設想宇宙是網格狀的，它是一個固定的實體，星球通過萬有引力互相吸引著從而維持平衡。后來愛因斯坦發現，宇宙并不是像牛頓描述的那樣，這張網并不是固定的，相反，由于物質和能量的存在，這張網是可以扭曲拉伸的，而且這些物質和能量可以決定這張網是如何被拉伸的。

根據相對論的解釋，當一個有質量的物體體積趨于0時，其引力會達到無法想象的地步，從而改變空間，導致光都無法在其空間里逃避，進而形成時空扭曲

但是如果這個宇宙僅僅只有一些質量重大的星球，難免會有重力塌縮，形成黑洞進而毀滅宇宙。愛因斯坦覺得這樣明顯是錯誤的，于是他引入了一個宇宙學常數進行修復。這個參數可以防止重力塌縮，并使宇宙處于一個近乎恒定的狀態。

但并不是所有人都支持愛因斯坦的觀點，亞歷山大·弗里德曼就是其中一個質疑者。他說，假如沒有引入宇宙學常數，那么這個擁有各種物質，輻射，灰塵、液體的宇宙將變得蠢蠢欲動，也就是變成一個收縮的宇宙或者膨脹的宇宙。

擴張宇宙的“葡萄干面包”模式，相對距離隨著空間（面團）的擴大而增加。

數學計算只能告訴我們宇宙演化方式“解的個數”，我們還需通過物理意義找到唯一解。這個物理意義在20世紀20年代被哈勃找到了。哈勃發現，一個星球是可以在其他星系被觀測到的，并且可以確定觀察者與該星球的距離。維斯托·斯里弗在星系的譜線中發現了紅移，將兩位學者的工作結合在一起，這時候一個令人難以置信的結果誕生了。

膨脹率（y軸）與距離（x軸）的關系，宇宙膨脹速度比過去更快，至今仍在加速。這是一個現代版本，是哈勃當年的數據數千倍

要么相對論錯了，我們的地球處于宇宙中心，一切都對稱地遠離我們；要么相對論、亞歷山大·弗里德曼是對的，遠處的星系遠離的速度之快超過我們能觀察的范圍。宇宙膨脹慢慢地成為描述宇宙變化的學說。

如果說宇宙一直在膨脹，這不是和我們日常生活觀察到的不相符合嗎？我們很難想象，隨著時間推移這張網慢慢地被拉扯，一直在變大，網里的東西互相拉扯著，那么網里的物質隨著網的變形，密度也在慢慢變小。

圖中藍色的區域是密度較大的區域，這些區域是通過引力作用慢慢聚集在一起的，隨著時間的推移這些區域很可能形成星球或者星系。紅色區域表示該區域溫度較高，原因是這些區域存在著引力勢阱

但是，宇宙的對稱性并不是十分完美，它有一些質量密集的區域，例如行星，恒星，星系和星系團，也有一些密度極小的區域，例如巨大的宇宙空洞，這個空洞幾乎沒有質量。之所以會有那些區域，是因為宇宙還存在其他的物理現象。在小尺度上，如動物，此時電磁力和核力起主要作用；在大尺度上，如行星、太陽系、星系，則引力占據主導地位。

在較大的尺度里，隨著宇宙的膨脹，星系慢慢消失。在較小的尺度里，引力占據主導地位，隨著時間的推移，形成行星、星系、星系團。

宇宙的膨脹和宇宙萬物之間萬有引力的競爭是整個宇宙最大的競爭。在大尺度范圍里，宇宙膨脹勝出，因此遙遠的星系還在繼續遠離我們，即使我們發射的信號的傳播速度和光速一樣，也無法到達那些遙遠的星系。宇宙中的一些超星系團隨著宇宙的膨脹被慢慢的拉開，在較短的時間內，它們將不復存在，即使是離我們最近的（只有5000萬光年）處女座星系，也無法通過萬有引力把地球或者太陽系吸過去。即使萬有引力很強，宇宙的膨脹也會將它的作用抹去。

在我們周圍1億光年的宇宙空間里，存在著數千個星系。處女座星系在其內部引力的相互作用下維持穩定，但是銀河系將繼續膨脹

但是，在小尺寸的范圍里，宇宙擴張被萬有引力抵消。在處女座星系里，存在著引力的約束。銀河系中的星球，通過萬有引力牢牢地束縛在一起。地球的公轉軌道距離不會變大，原子也不會擴張。也就是說，如果某區域的引力、電磁力、核力等不能抵消宇宙膨脹的“張力”，那么該區域就會持續膨脹，但是如果該區域存在著可以抵消“張力”的其他力，此區域就不會膨脹。

TRAPPIST-1，它的運動軌道保持不變，正是引力的約束克服了宇宙膨脹“張力”

萬有引力的作用使得宇宙膨脹不能在小尺寸的范圍里實現，這是很微妙的，與其說宇宙膨脹是某種“張力”的作用，不如說宇宙以一定的速度擴張。總的來說，無論是大尺度范圍還是小尺度范圍都具有這個擴張的“分速度”，但是整體表現出來是怎樣的，還得看“合速度”。雖然兩點之間有相互遠離的“分速度”，但是如果這個“分速度”小于逃逸速度（兩者剛要互相遠離的臨界速度），也就是說如果兩者之間的相互作用力大于宇宙膨脹的速度，那么他們之間的距離就不會增加，此時我們也就觀察不到宇宙膨脹現象。在任何時刻，宇宙膨脹的速度被抵消，因此就不會有膨脹現象，穩定的相互作用力維持了小尺寸范圍內物體的穩定。

在某個區域內，如果是引力，電磁力等，能抵消宇宙的擴張，那么該區域將維持穩定

宇宙膨脹現象的確存在，我們的某些測量數據也證實了這一點。暗能量（編者注：暗能量是一種充溢空間的、增加宇宙膨脹速度的難以察覺的能量形式）的存在使得遙遠的星系加速離開我們，但是也存在距離固定不變的區域。但是，在2003年有人提出宇宙大撕裂假說，關于宇宙的終極命運，假說中認為宇宙中的物質，從恒星和星系到原子和次原子粒子，在有限時間的未來會因為宇宙的膨脹進一步的被撕裂，理論上，宇宙的尺度因素在未來有限的時間會變得無限大。也就是說，如果該假說成立，那么咱們之前結論就有錯誤，因為此時距離是一定會變大的。

宇宙一直在膨脹，但它對每個個體的影響不盡相同。如某些力的作用抵消了宇宙的膨脹，那么咱們就觀察不到宇宙膨脹現象。只有當物體之間的束縛力無法約束宇宙那顆流浪之心的時候，宇宙膨脹現象才是明顯的。正如偉大的物理學家理查德·費爾德曾經說過的那樣：“雖然你的腰圍一天比一天大，但是宇宙表示，這鍋我不背。”（這句話深深地傷害了某小編。。。。）

（原文轉載于：中科院物理所）