宇宙一直在膨胀，为啥你不会受其影响而变胖？

作者：Ethan Siegel（翻译：山寺小沙弥）

编辑：Lixy

审校：yangfz

宇宙膨胀就如脑袋里天马星空的想法，它不会演化成异类，只是变得更加稀疏罢了。

—— 凯蒂·麦克

如果宇宙在膨胀，我们不难理解远处的星系一直在远离我们，那么问题来了，为什么行星、原子就不膨胀呢？

宇宙膨胀是20世纪重大发现之一。无论是邻近的星系还是遥远的星系都在远离我们，只是遥远的星系远离的速度更快些，就好像整个空间正在被拉伸。从宏观的角度来看，在过去的几十亿年里，宇宙的物质和能量密度一直在减小，并且这样的现象随着时间推移将继续下去。假如我们能看得到足够远的距离，我们会发现远处的星系好像是被快速推开，速度之快难以想象，我们发射的任何信号都无法到达这些星系，即使信号的传播速度为光速。但是，如果连光速都追不上，是不是存在悖论呢？这就是肯特哈德逊想知道的：

假如宇宙以超过光速的速度膨胀，为什么我们的太阳系各行星之间的距离不受影响呢？为什么各个行星之间的距离不会增加呢？

肯特哈德逊的想法是对的，随着宇宙的膨胀，太阳系中行星和恒星之间的距离都不会增加。那么，究竟是什么在膨胀？让我们一起来看看吧。

牛顿对于宇宙的认识，宇宙是一张完全固定的网格，物质在这张网上相互作用

牛顿曾经设想宇宙是网格状的，它是一个固定的实体，星球通过万有引力互相吸引着从而维持平衡。后来爱因斯坦发现，宇宙并不是像牛顿描述的那样，这张网并不是固定的，相反，由于物质和能量的存在，这张网是可以扭曲拉伸的，而且这些物质和能量可以决定这张网是如何被拉伸的。

根据相对论的解释，当一个有质量的物体体积趋于0时，其引力会达到无法想象的地步，从而改变空间，导致光都无法在其空间里逃避，进而形成时空扭曲

但是如果这个宇宙仅仅只有一些质量重大的星球，难免会有重力塌缩，形成黑洞进而毁灭宇宙。爱因斯坦觉得这样明显是错误的，于是他引入了一个宇宙学常数进行修复。这个参数可以防止重力塌缩，并使宇宙处于一个近乎恒定的状态。

但并不是所有人都支持爱因斯坦的观点，亚历山大·弗里德曼就是其中一个质疑者。他说，假如没有引入宇宙学常数，那么这个拥有各种物质，辐射，灰尘、液体的宇宙将变得蠢蠢欲动，也就是变成一个收缩的宇宙或者膨胀的宇宙。

扩张宇宙的“葡萄干面包”模式，相对距离随着空间（面团）的扩大而增加。

数学计算只能告诉我们宇宙演化方式“解的个数”，我们还需通过物理意义找到唯一解。这个物理意义在20世纪20年代被哈勃找到了。哈勃发现，一个星球是可以在其他星系被观测到的，并且可以确定观察者与该星球的距离。维斯托·斯里弗在星系的谱线中发现了红移，将两位学者的工作结合在一起，这时候一个令人难以置信的结果诞生了。

膨胀率（y轴）与距离（x轴）的关系，宇宙膨胀速度比过去更快，至今仍在加速。这是一个现代版本，是哈勃当年的数据数千倍

要么相对论错了，我们的地球处于宇宙中心，一切都对称地远离我们；要么相对论、亚历山大·弗里德曼是对的，远处的星系远离的速度之快超过我们能观察的范围。宇宙膨胀慢慢地成为描述宇宙变化的学说。

如果说宇宙一直在膨胀，这不是和我们日常生活观察到的不相符合吗？我们很难想象，随着时间推移这张网慢慢地被拉扯，一直在变大，网里的东西互相拉扯着，那么网里的物质随着网的变形，密度也在慢慢变小。

图中蓝色的区域是密度较大的区域，这些区域是通过引力作用慢慢聚集在一起的，随着时间的推移这些区域很可能形成星球或者星系。红色区域表示该区域温度较高，原因是这些区域存在着引力势阱

但是，宇宙的对称性并不是十分完美，它有一些质量密集的区域，例如行星，恒星，星系和星系团，也有一些密度极小的区域，例如巨大的宇宙空洞，这个空洞几乎没有质量。之所以会有那些区域，是因为宇宙还存在其他的物理现象。在小尺度上，如动物，此时电磁力和核力起主要作用；在大尺度上，如行星、太阳系、星系，则引力占据主导地位。

在较大的尺度里，随着宇宙的膨胀，星系慢慢消失。在较小的尺度里，引力占据主导地位，随着时间的推移，形成行星、星系、星系团。

宇宙的膨胀和宇宙万物之间万有引力的竞争是整个宇宙最大的竞争。在大尺度范围里，宇宙膨胀胜出，因此遥远的星系还在继续远离我们，即使我们发射的信号的传播速度和光速一样，也无法到达那些遥远的星系。宇宙中的一些超星系团随着宇宙的膨胀被慢慢的拉开，在较短的时间内，它们将不复存在，即使是离我们最近的（只有5000万光年）处女座星系，也无法通过万有引力把地球或者太阳系吸过去。即使万有引力很强，宇宙的膨胀也会将它的作用抹去。

在我们周围1亿光年的宇宙空间里，存在着数千个星系。处女座星系在其内部引力的相互作用下维持稳定，但是银河系将继续膨胀

但是，在小尺寸的范围里，宇宙扩张被万有引力抵消。在处女座星系里，存在着引力的约束。银河系中的星球，通过万有引力牢牢地束缚在一起。地球的公转轨道距离不会变大，原子也不会扩张。也就是说，如果某区域的引力、电磁力、核力等不能抵消宇宙膨胀的“张力”，那么该区域就会持续膨胀，但是如果该区域存在着可以抵消“张力”的其他力，此区域就不会膨胀。

TRAPPIST-1，它的运动轨道保持不变，正是引力的约束克服了宇宙膨胀“张力”

万有引力的作用使得宇宙膨胀不能在小尺寸的范围里实现，这是很微妙的，与其说宇宙膨胀是某种“张力”的作用，不如说宇宙以一定的速度扩张。总的来说，无论是大尺度范围还是小尺度范围都具有这个扩张的“分速度”，但是整体表现出来是怎样的，还得看“合速度”。虽然两点之间有相互远离的“分速度”，但是如果这个“分速度”小于逃逸速度（两者刚要互相远离的临界速度），也就是说如果两者之间的相互作用力大于宇宙膨胀的速度，那么他们之间的距离就不会增加，此时我们也就观察不到宇宙膨胀现象。在任何时刻，宇宙膨胀的速度被抵消，因此就不会有膨胀现象，稳定的相互作用力维持了小尺寸范围内物体的稳定。

在某个区域内，如果是引力，电磁力等，能抵消宇宙的扩张，那么该区域将维持稳定

宇宙膨胀现象的确存在，我们的某些测量数据也证实了这一点。暗能量（编者注：暗能量是一种充溢空间的、增加宇宙膨胀速度的难以察觉的能量形式）的存在使得遥远的星系加速离开我们，但是也存在距离固定不变的区域。但是，在2003年有人提出宇宙大撕裂假说，关于宇宙的终极命运，假说中认为宇宙中的物质，从恒星和星系到原子和次原子粒子，在有限时间的未来会因为宇宙的膨胀进一步的被撕裂，理论上，宇宙的尺度因素在未来有限的时间会变得无限大。也就是说，如果该假说成立，那么咱们之前结论就有错误，因为此时距离是一定会变大的。

宇宙一直在膨胀，但它对每个个体的影响不尽相同。如某些力的作用抵消了宇宙的膨胀，那么咱们就观察不到宇宙膨胀现象。只有当物体之间的束缚力无法约束宇宙那颗流浪之心的时候，宇宙膨胀现象才是明显的。正如伟大的物理学家理查德·费尔德曾经说过的那样：“虽然你的腰围一天比一天大，但是宇宙表示，这锅我不背。”（这句话深深地伤害了某小编。。。。）

（原文转载于：中科院物理所）