第1个回答 2022-07-13
地球，太阳系，包括整个银河系和离我们最近的几千个星系，都在一个直径为2.5亿光年的巨大“泡泡”结构中运行。我们看似巨大的结构在宇宙中只是微不足道的一粒沙尘，宇宙中还有很多类似的巨大结构，组成了可观测宇宙，而可观测宇宙又是整个宇宙的一个小小的斑点。宇宙巨大到无法想象，不过对于天文学家来说，比宇宙的大小更令人难以琢磨是宇宙的膨胀演化和宇宙的未来。
自138亿年前，宇宙经历大爆炸诞生以来，它就一直在膨胀，这一理论最初是由比利时的乔治·勒迈特提出的，而埃德温·哈勃则首先证明了这一观点。天文学家在1929年就发现，每个星系都在远离我们，这也表明过去有一段时间所有星系都位于同一地点，这个时间对应的就是宇宙的起源，也就是大爆炸。
宇宙膨胀还意味着，无论我们身处哪个星系，其他的星系都在远离我们，也就是说星系并没有在太空中移动，而是在宇宙空间本身在扩大。换句话说，宇宙没有中心，一切都在远离其他的一切。听起来好像很矛盾，我们可以想象在一个1000万光年之内有一个星系的空间参考系网格，网格的对角有两个星系，那么经过足够的时间后，该网格将伸展，星系将离得更远，如果时间足够，这两个星系之间的距离将是无限的。
天文学家们为了解释宇宙膨胀，还拿了一块葡萄干面包。我们可以想象宇宙是这个葡萄干面包本体，随着面包自己在膨胀，在里面的葡萄干的距离越来越远，但是值得注意的是，葡萄干，也就是这些星系仍然停留在面团中，星系自己其实没有动。回到宇宙当中，星系（葡萄干）可能会在某一时刻消失，我们再也看不到了，因为宇宙膨胀的速度如此之快，以至于它们的光从未到达过地球。
确实，宇宙一直在膨胀，但是宇宙膨胀的有多快呢？说到这里，我们要说的一个理论名为哈勃常数，哈勃常数其实就是用来计算宇宙随时间膨胀的速度。天文学家自2005年以来一直在用哈勃望远镜 探索 并细化这些距离测量，测量之后天文学家们还需要对哈勃常数进行微调。在最新的研究中，天文学家使用哈勃望远镜观察了大麦哲伦星云中的70颗造父变星的光度变化，测试的结果使天文学家们对哈勃常数的不确定度从早期估计的2.2%降低到了1.9%。
研究人员利用所有这些信息计算现代宇宙的膨胀率，新的数值是每326万光年范围内，宇宙每秒膨胀74.03公里。天文学家之后对数值进行了多次计算，这个数字的不确定性，也就是错误率仅为1.9％。这是迄今为止计算得出的最低的宇宙膨胀错误率值，低于2001年的10％和2009年的5％。相比之下，天文学家预期估算的扩展速率约为每326万光年范围内，宇宙每秒膨胀67.40千米。
测量哈勃常数比较困难的是如何可靠地测量星系的距离，哈勃望远镜是通过观察被称为造父变星的单个恒星来测量星系与星系之间的距离。天文学家Henrietta Swan Leavitt在20世纪初就发现这些恒星的实际亮度是可以预测的，因此，通过测量并预测恒星的亮度，就可以计算出星系与星系的距离。
不过现在天文学家一直在努力寻找比造父变星更好的参考物，因为造父变星一般都被星尘包裹，这些因素可能会使亮度的估计值失真。所以最近的天文学家已经把膨胀的红巨星和超新星爆炸结构用作标准参考物，这些参考物将作为未来确定哈勃常数的最主要的参考物。
在一开始，宇宙膨胀就和黑洞一样虚无缥缈，没有理论模型，更没有什么实际观测数据，天文学界都认为宇宙是恒定不变的。但是在1929年，在望远镜的帮助下，哈勃开始注意到由于多普勒效应，这些星系发出的光向红色光谱端偏移了一点，这种效应也被称为红移，这就表明星系正在远离我们。在详细分析了造父变星的恒星红移现象之后，天文学家们就以这些参考物为距离做标记测量了星系与星系之间的距离。星系与星团之间都在彼此远离，因此，宇宙的大小必定会不断增长。所以红移也是证明宇宙正在膨胀的直接证据之一，另外由于红移，我们看到的所有星系都略带有红色光谱。
这种膨胀，天文学家也会称之为空间的指数级扩张，星系本身不被扩大，但星系与星系之间的距离却越来越远，所以理论上未来在我们的天空中，星系将会越来越少，不过这至少是几百亿年之后的事情了。现在看来，宇宙不仅会永远膨胀，而且其膨胀速度将继续越来越快。那么，是什么导致了这种膨胀，膨胀的能量或者说某种力量是从何而来的呢？
宇宙学家认为这也许是因为惯性。惯性其实就是物体保持原来运动状态的一种特性，而质量是惯性的唯一参考标准。宇宙学家认为是宇宙大爆炸的惯性，导致宇宙不断膨胀。我们知道万物其实都有惯性，而质量是唯一决定惯性大小的值，如果把惯性应用于大爆炸也许我们可以推测宇宙大爆炸带来的惯性。现代宇宙学模型之一，宇宙大爆炸之前的状态是一种名为奇点的状态，没有人知道奇点的质量，也就是说最重要的参考标准是未知的。
宇宙大爆炸的惯性是宇宙膨胀的原因，那为什么宇宙膨胀的速度会越来越快呢？其实宇宙大爆炸的惯性只是原因之一，因为这其中还牵涉了暗能量与暗物质。这是两种我们知之甚少的特别的物质，是重子物质（可以看到的天体）吗？是可以测量的物质吗？目前测量不了，从粒子对撞实验与理论模型实验中我们只知道暗物质与暗能量是一种我们完全不了解的某种粒子态……
暗物质与暗能量就好像是空间的本质，它们在宇宙中的占比超过96%，所有看到的重子物质才只有不到5%的占比，暗物质与暗能量可以说是无处不在。现代天文观测已证实，暗物质与暗能量可以影响一些星系，甚至是宇宙中一些超巨大结构的运行。比如银河系和仙女座星系相撞可能就是暗物质暗能量“操作”的。那暗物质与暗能量既然是空间的本质，宇宙的本质也是广袤的空间，所以宇宙学家推测暗物质与暗能量也可以使宇宙膨胀，甚至让宇宙膨胀的更快，这也许就是宇宙为什么不断加速膨胀的原因。
随着多元宇宙理论与希尔伯特空间理论的不断完善，我们的宇宙为什么加速膨胀也有了新的理论解释。多元宇宙理论模型指出，宇宙大爆炸之前的空间也被称为一种希尔伯特空间中的假真空状态，假真空环境中的奇点或者其本身会衰变，就像是粒子衰变那样。假真空环境的衰变触发了大爆炸，也会使大爆炸之后的宇宙膨胀的速度更快。
天文学家现在还在不断通过观测数据研究宇宙膨胀的一些基本问题，通过观测研究宇宙膨胀，天文学家可以了解宇宙演化的 历史 与宇宙未来的命运。宇宙不断膨胀下去，命运就是面临撕裂的结局，宇宙将陷入冷寂，到那时因为星系结构距离太遥远，整个宇宙将毫无“生机”，直到时间的尽头。当然，也有天文学家通过数据发现，未来的宇宙也许会突然停止膨胀然后收缩，收缩到最后将再次成为奇点，奇点将再次大爆炸，产生一个新的宇宙……
这对于人类来说，太过遥远，但是宇宙演化的真理，伴随不断发展的观测科学，总有一天会被揭开。