22.9. 时空与扩张¶
把我们的注意力转移到宇宙大爆炸模型的空间生成方面：从奇点开始的宇宙大爆炸效应要求所产生的物质（光子、原子、亚原子粒子）以连续的 扩大 宇宙。星系，包含了这一物质的大多数凝聚产物（气体、尘埃），在一个速度范围内彼此后退（如光谱红移现象所示）。 [见下一页] ）这取决于它们的相对近邻以及它们作为距离函数的表观年龄。这个 显然的 特定星系的年龄（大多数星系形成于宇宙早期 [first 1 - 3 b.y.] 但是，许多恒星仍在生成新的恒星，有些可能是后来形成的，甚至可能还在形成新的恒星），当天文学家看到这只是光旅行的时间（大约30万公里/秒）。 [186,000 miles/sec] ）它现在离地球的总距离；因此，如果它显示（见下页）今天离地球有90亿公升（距离约为1023 光到达这里花了那么长时间，因此星系至少在公元前9年就已经存在了。我们看到这个星系是在早期或早期的发展阶段，而不是在我们这个时代。（很明显，如果天文学家所看到的是一个形成良好的星系，那么它将比现在更古老，因为时间最短 [估计有几亿年] 当然，它和地球（在银河系中）在公元前9年就已经非常接近了，从那时起就一直在互相后退。在大爆炸的早期，这两个星系确实非常接近，所有的星系都非常接近，包括那些现在离地球最大可观测距离的星系；从那时起，这两个星系在90亿光年的膨胀过程中，以相互旅行所覆盖的距离来分隔。这种看似矛盾的现象是通过应用爱因斯坦的引力缓和时空概念（他的广义相对论）来解决的。我们指定给离地球任何距离的星系的年龄取决于它的距离（以光年为单位）和大爆炸开始时所选择的年龄。计算这一点：我们现在看到的年龄=发展阶段=宇宙年龄-光的传播时间所经过的时间 [l.y.] 从银河系到我们。假设宇宙的年龄是13ga（记住，ga指的是十亿年或十亿年），9 ga外星系今天向我们展示了大爆炸后13-9=4ga的情况。
让我们重申一下上述观点，以便加以强调。星系时空分布图的一个结果是：最远的星系，比如说100-13亿光年，是宇宙中最古老的星系之一。我们所看到的这些遥远的物体，是他们年轻时的状态或外貌；我们今天不能对他们的状况作任何说明。随着地球和我们选择观测的星系之间的距离逐渐变小，就光年而言，我们在它们的进化史上看到的距离越来越远（假设绝大多数星系是在大爆炸后的前几十亿年形成的）。因此，那些离地球较近的天体需要较短的光传播时间来显示它们的外观，从而在早期显示它们的发展。因此，一个被证明离地球30亿公升的星系正在发射30亿年前留下的光和其他辐射，而那时它很可能是在它进化的更晚的时候。
从广义相对论的概念（也许是20世纪迄今为止最伟大的“思想”）可以得出这样的结论：空间本身是一个正在进行扩张的实体，而不仅仅是它内部的物质简单地飞散。随着膨胀的进行，从一个星系到另一个遥远星系的光被“拉伸”（因此假设波长较长，如红移过程所描述的那样 [下一页] ）因此，无论是新的空间还是它将包含的物质，都可以说是“创造”的，并且是根据大爆炸所决定的事件来组织的。空间的扩展是四维的（3个空间维度和1个时间维度）。需要注意的是，虽然空间是进行膨胀的实体，但星系内部没有相应的膨胀（它们的恒星没有分开，事实上，随着时间的推移，它们趋向于收缩，因为恒星向内移动到它们中心的普通黑洞）。不可能利用普通的视觉经验来想象这种扩展，但是下一段中描述的类比可能是有用的。
因此，为了帮助人们想象宇宙的更抽象的四维膨胀，这个例子经常被引用为气球表面的圆点的扩散，随着气球膨胀，圆点逐渐扩大。这个类比是一个很好的工作描述空间（球形）扩大的一个模式，如果你只是忽略了气球有一个内部的日常经验，而只考虑它的表面。球体具有尺寸有限的特殊性质，但没有边缘；它不断地在自身上和通过自身弯曲。在气球的例子中，它的表面实际上是一个二维曲面。气球的表面可以被认为是一个膨胀的球体的表面，在这个球体上，宇宙的组成部分——星系、星系间物质、恒星之间的“空”空间以及星系之间的“辐射”——被定位。气球（宇宙）外没有任何东西，球体内也没有任何东西——也没有空间。正在生成的宇宙空间与等效的气球表面相关联（然而，与点不同的是，星系确实具有维度深度）。（注意：如下一页所述，其他展开几何图形（双曲线和平面）可能会导致不同的最终结果。）
对于宇宙来说，球体上的任何点都等同于任何其他点，但是球体上中心的概念本身没有意义。只有当选择一个点（如地球）作为观测参考时，任何有意义的时空几何框架在讨论“位置”时才有价值。在巴比伦和托勒密的模型中，以及基督教神学所采用的模型中，地球曾经被认为是宇宙的中心。后来，太阳被认为是中心。现在很明显，我们的太阳系在离银河系中心区域不远的地方占据着一个不重要的位置。这个星系和宇宙中大多数其他星系一样典型（“正常”）。它在宇宙中的位置不能根据一个终极中心来确定，因为找不到任何一个。（因此，在一个遥远星系的恒星周围的行星上，一些文明也会把自己看成是 显然地 在他们感知的宇宙的中心）。但是，同样的，没有真正的中心可以被固定在任何地方，因为扩展几何体上的所有点（见下一页的空间选择，包括非球面和收缩模型）具有同等的重量和意义。在某种意义上，第四维度有一个“中心”，即展开开始时的奇异时间点。
这个扩展的概念也可以借助于这个图来可视化，这个图将过程描述为一个使用圆的二维描绘（所描绘的概念同样适用于三维 [气球] 版本：
摘自J.Hawley和K.Holcomb著《现代宇宙学基础》，1998年。经英国牛津大学出版社许可转载。
左边的圆表示半径为r的球体。1 在其上追踪坐标系（基本上是纬度和经度线）。它描述了从初始点（半径R0 ）随着膨胀的继续，右边的圆的半径为r。2 . 坐标系相应地展开，因此任何点的坐标，例如定位三个“土星”圆盘中的任何一个（注意，即使它们分开时，它们的大小保持不变；这类似于上面提到的星系与空间膨胀不成比例的说法），只在尺度上发生了变化。由此可以定义一个称为比例因子的基本函数，由符号R给出，它将扩展系统的长度变化描述为时间函数。这个简单的方程适用：r（t）=rn /r:sub:0，其中rn 是某个特定时间的半径和r0 是初始半径（对于宇宙，是奇点）。因此，膨胀（或收缩）的量或速率可以通过给定的比例因子进行调整；如果不定义线性函数，一个值将产生比另一个数值小（大）的更快（慢）速率。在给定的时间跨度内，R值越高，分离（长度扩散）越大。坐标被认为是共存的，也就是说，它们在展开过程中会放大，但是所有参考的X、Y和Z点都与R成比例地缩放，同时保持它们相同的相对位置。尺度因子是一个基本的几何性质，与对膨胀宇宙的描述有关。
摘自J.Hawley和K.Holcomb著《现代宇宙学基础》，1998年。经英国牛津大学出版社许可转载。
图 a 显示膨胀率降低， b 均匀或恒定（线性）速率， c ，增长率，以及 d 负膨胀率（即收缩）。
注意，对于给定的膨胀增量，从t开始一段时间内1 对T 2 ，在t处相距较远的点1 以逐渐大于彼此接近的速度膨胀；因此，它们以时间单位覆盖更大的距离（我们将在下一页看到，向外不断增加的速度与光波长的逐渐增加有关，如红移现象所示）。把这个想法形象化的一个简单方法是进行这个橡皮筋实验：取一个宽橡皮筋，在上面画上五个记号-1 [使它成为X] 在中间作为参考，然后每边上的一个点间隔一英寸，每边上的一个点与每一个内部成对的点间隔一英寸；用两个食指握住橡皮筋，逐渐向外拉伸橡皮筋大约三英寸，在尺子的背景下观察橡皮筋的移动，放置和将中心X保持在某个数字上；两个内点移动了一段距离，两个外点也移动了，但移动的距离更大；此外，两侧内点和外点之间的间距增加大于X和内点之间的间距；因为速度（v）=Distance（d）除以时间（t），拉伸时间是s。对于所有的点来说，外点的移动速度比内点对大；这是一个相对的效果，因为橡皮筋上的任何一组点在分离时都不会以不同的速度移动。这种运动方式是宇宙学膨胀的固有方式；否则，如果所有点从一个共同的起点沿球体半径以相同的速度膨胀，所有点都会像膨胀的壳一样向外迁移，从而产生一个由其内缘限制的不断增大的空穴（这里，气球类比可能有助于说明这一点）。
这可以通过以下图表进一步说明：
摘自J.Hawley和K.Holcomb著《现代宇宙学基础》，1998年。经英国牛津大学出版社许可转载。
让上排代表三个星系在T点的位置。1 在T点的下一个扩展位置2 . 经过的时间是（t:sub:2-t1 ）=delta t。最初，每个星系被距离d隔开。在膨胀之后，a现在被2d与b分开，c与4d分开。因此b相对于a（观察位置）以（2d-d）/delta t=d/delta t和c相对于a（4d-2d）/delta t=2d/delta t的隐性速度（d/t）移动。因此，衰退速度f c相对于a是b对a的两倍（回到气球的类比中，我们可以看到，相对于被选作观察点的某个点，更远的点后退得更快。）相对速度将取决于比例因子。根据红移研究（下一页）确定，在这个动态宇宙中，任何两个星系以不同的隐性速度彼此相对运动，这取决于它们之间的距离；其中一个星系和仍然有三分之一的距离是第一对星系的两倍（两倍）。
目前（哈勃太空望远镜）探测到的较远的星系物体 [HST] ）离我们至少有70亿光年，大概有10-12亿光年或者更多。最近的一份报告声称，HST现在发现了红移距离计算为120亿l.y.（其中一个在13 b.l.y.）的星系；由于这些星系的红移距离非常微弱，所以这里看到的景象代表了36小时的曝光时间，因为NICMOS（近红外和多目标光谱仪）从一个非常狭窄的视场收集辐射，而该视场指向了T附近。北斗七星。
|哈勃nicmos图像是在靠近北斗七星顶部的一个非常狭窄的视场中36小时曝光产生的。γ
超出目前观测极限的情况仍不清楚，但总有一天会由更好的辐射收集仪器来确定。值得一提的是，在这一点上，已经提到的最远星系深空图像的三个属性：1）在120亿l.y.的过境时间内，地球（信号接收端）和星系（源或发送端）彼此都在后退；2）自大爆炸时对时间零点的最佳估计以来目前被称为130多亿年，其结果是外部极限（如果存在于有限的宇宙中）仍然超出我们的观测能力范围，并且3）这里看到的星系正处于发展阶段，就像120亿年前一样，今天已经通过这段时间进化到我们只能推测的状态。真的。
下一幅图是由高铁成像的星系全景图，其中一些光点位于被称为深场区域的地方。
这幅图像明显的二维（即平面；缺乏深度）使人产生误解，因为许多星系体（恒星无法分辨）一般来说，那些看起来更大、结构可辨别的天体可以相对接近。因此，虽然星系的尺寸在某种程度上有所不同，但其大小主要是距离的函数。大多数较小的可能是60到90亿光年或更远。最远的物体——靠近（迄今为止）观测到的宇宙边缘——看起来像是微小的蓝色斑点（大约是人眼探测到的100万倍）；它们的红移（见下页）大于3-4，表明它们是宇宙膨胀中最快的运动，正如大爆炸模型预测的那样。
其中一些非常遥远的物体很可能是在最初的十亿年中形成的星系。下面的一个例子（也说明了哈勃科学家如何进行观测和推断）显示了深场的一个小区域（以及几个更近的星系），这是由hst在从紫外线到近红外的四个辐射带中成像的。
箭头指向该区域内的某个位置，在该位置左侧的三个面板（紫外线和两个可见带）中没有任何物体出现，但右侧面板（靠近红外）箭头下的一个黑点显示该位置的物体（可能是星系）。它的红移（见下页），现在从可见的红色变为近红外，足够大（>5），以适应宇宙时空边缘附近与星系形成最早时期相对应的物体。因此，对非常遥远的星系物体的探测在很大程度上取决于取样的波长。
随着星系的形成和演化，产生了可见的实体，这些实体彼此之间的相对运动可以被监控，它们都继续了自大爆炸以来早期的膨胀运动。实际上，这意味着它们一般都是朝着膨胀的方向运动，同时又各自远离相邻的星系（因此，所有星系都倾向于彼此分开，尽管它们偶尔会穿过路径并发生碰撞）。在宇宙的任何（和所有）区域，例如包含我们的银河系和许多附近星系的本地星系群，这些星系的运动虽然总体上是膨胀的，但倾向于各个方向，包括彼此之间的运动（从而确保一些碰撞），但大多数是向外的。一些人，如仙女座，目前正朝着我们移动。当组成一个星系群或星系团的星系被检查时，总星系中的一部分会向蓝色（不一定是蓝色）移动。这种多向运动模式是引力相互作用的结果，引力相互干扰它们的相对运动（见下面的蜜蜂类比）。这只能在附近观测到；在很远的距离上，净红移掩盖了由观测星系周围更直接的条件引起的任何变化。
通过另一个类比，我们可以更好地了解本页中表达的几个观点。这是直接引自约瑟夫·西尔克（Joseph Silk's）的（第61页）。 大爆炸 1989年（括号中的注释是作者的 [NMS] ）：
“我们可以通过想象一大群蜜蜂（物质，后来的星系）挤进一个小蜂巢，来想象宇宙的初始膨胀。突然，养蜂人把蜂巢移走了，蜜蜂立刻向四面八方飞去。任何一只蜜蜂都会观察到它的邻居正在互相远离。假设所有的蜜蜂都是直线飞行，但方向是随机的。蜂群会稳定地散开，覆盖不断增加的体积，最快的蜜蜂也会离得最远。一个简单的关系将任何蜜蜂的速度与飞行距离联系起来。“对此我补充道：总是有一些蜜蜂在蜂巢附近；一些蜜蜂不会太冒险，开始以更高的速度飞过其他蜜蜂更远的地方，也就是说，它们选择在释放后保持它们的相对位置。”而且，像蜜蜂一样，在星系团中，单个星系的净运动趋向于全方位（即随机），包括一些朝向地球的运动，即使星系团本身正在向外和分开移动。
综上所述，广义相对论需要一定的曲率来扩展空间。这是由重力平衡和初始大爆炸所施加的力控制的。物质的分布决定了空间的几何结构。空间在某种程度上会在自身上弯曲，保持没有（边缘）边界的要求。如果空间完全在自身上弯曲，宇宙是封闭的；如果以其他方式弯曲，宇宙是开放的。我们只能看到宇宙中可见光有时间到达观测站的那一部分。在任何服从广义相对论的模式下，宇宙都将是无限大的，这意味着它将永远持续增长。随着从现在开始的时间向前移动，我们将看到比现在地平线更远的地方；因此在另一个十亿年里，宇宙将至少比在这个时间间隔内发生的膨胀要大得多，而最遥远的星系将比今天的同类星系“走出”十亿光年。