宇宙在诞生时是如何膨胀的（为何科学家认为宇宙在膨胀）

大家如果看过一些关于宇宙的科普纪录片或文章，想必对“宇宙膨胀”不会陌生，在脑海中应该有这样一副图景：宇宙诞生于一个奇点的“大爆炸”，然后不断膨胀形成今天的宇宙。然而，宇宙膨胀有哪些科学证据呢？本文将给出宇宙膨胀的科学推理。

先从电磁波说起。我们知道光是电磁波，和声波一样，描述电磁波的一个基本量是波长。假设我们去观测某个光源发出光的波长，就会发现，光源相对我们运动和静止时测到的波长不同，这个现象叫光的多普勒效应（“光”泛指所有的电磁波）。如果光源的运动速度远小于光速，这一效应就有简单的规律：

• 光源远离观测者运动时，测到的波长比静止时要长，称为红移
• 光源接近观测者运动时，测到的波长比静止时要短，称为蓝移

注意“接近/远离观测者运动”不一定要沿观测者的视线，只要光源有径向速度，就有红移或蓝移现象，所谓径向速度是指实际速度在视线上的投影，如下图。

红移或蓝移的程度用红移量z来衡量。比方说，测到的波长比静止时长10%，z=0.1，如果短10%，z=-0.1。光源运动速度远小于光速时，我们有以下公式

这是光的多普勒效应公式，注意径向速度带正负号：远离观测者时为正，接近观测者时为负。宇宙中许多天体都是发光体，测出了红移量，就能用该式计算天体的径向速度。

早在20世纪初，斯莱弗就开始用测定红移量的方法确定星系的径向速度。1925年，斯莱弗已经测定了40个星系，结果表明红移的星系显著地多于蓝移的星系，即大部分星系都在远离地球。

1929年，埃德温•哈勃把24个星系的径向速度v和距离d作成了图（下图只包含这些星系的一部分，径向速度、距离采用现在的测量值）。他发现：总体上，v与d有正比关系，距离越远的星系，远离我们的径向速度越快。

如何解释这个不同寻常的规律？首先，斯莱弗发现的“大部分星系都在远离地球”就已不寻常，因为它暗示了地球处在一个特殊的“中心”位置。但我们没有充分理由认定这点，因为地球所处的银河系只是众多星系中的普通一员。

如果没有哪个星系是特殊的，我们就要假设，在每一个星系中都会看到其他星系在远离它。然而，满足这个性质的运动形式在狭义相对论中不存在，但在广义相对论中，这种运动形式可以用空间膨胀解释。

如下图所示，我们把空间想象成网格，每个格点假想为一个星系，随着时间推移，网格不断放大（空间膨胀）。显然，在每一个格点上都能看到周围的格点在远离它。

用上图的模型可推出，同一时刻，在任何一个格点上看，距离越远的格点径向速度越大，径向速度正比于距离。这个推论与之前画出v和d的关系图相符，哈勃的发现似乎得到了完美的解释。

上述模型得到的“径向速度正比于距离”是严格成立的，距离足够大时，径向速度将超过光速，因此空间膨胀引起的距离增加不是“通常”的运动，而是物体跟随着膨胀的空间，物体相对空间并没有移动。可是，要产生多普勒效应，物体必须有相对空间的运动。问题出现了：如果上述“空间膨胀”模型是对的，星系红移就不能用多普勒效应解释，那么如何解释红移的来源？

若上述模型正确，就先要注意，此时用多普勒效应公式算出的速度并无物理意义，因此哈勃的v与d关系图中，v应还原为红移量，换而言之，哈勃的发现应该理解为红移量与距离的关系：总体上，星系的红移量与距离成正比，距离越远，红移越显著。

回到刚才的问题。“空间膨胀”模型能否解释星系的红移？事实上，星系发出的光在向观测者行进的同时，空间的膨胀会把光的波长不断“拉长”，产生红移，这种红移称为宇宙学红移。星系距离越远，发出的光抵达观测者就要经历更久的“拉长”过程，这解释了红移量随距离的增加。通过数学推导还可得出，红移量较小时，红移量与距离确实有正比关系。因此“空间膨胀”模型很好地解释了观测结果。

随着天文学的发展，宇宙膨胀得到了更多的观测证据支持，成为科学家普遍采纳的模型。