最后更新：2025年8月27日

膨胀的宇宙：“创造空间”究竟意味着什么？

宇宙膨胀示意图，展示星系在拉伸的时空网格上彼此远离。 — *宇宙膨胀的艺术表现，空间本身正在拉伸，导致星系相互远离。图片来源：astronoo.com*

空间创造的悖论

1929年，埃德温·哈勃通过建立星系距离与其退行速度之间的关系，首次提供了宇宙膨胀的观测证据。这一关系被称为哈勃定律，由公式v = H₀ × d表示，其中v为退行速度，d为距离，H₀为哈勃常数。

1998年，两个独立研究Ia型超新星的团队做出了革命性发现：宇宙的膨胀并未如预期般减速，而是在加速。这一观测结果获得了2011年诺贝尔物理学奖，它暗示着存在一种被称为"暗能量"的排斥性能量，约占宇宙总能量含量的68%。

宇宙的组成部分及其在膨胀中的作用
组件	百分比	对膨胀的影响	自然
暗能量	约68%	加速度	未知，负压
暗物质	约27%	减速	非重子，仅引力相互作用
普通物质	~5%	减速	原子、恒星、星系

膨胀的宇宙是否在“创造空间”？

宇宙膨胀中“创造空间”的概念非常微妙，且常被误解。它并非哲学意义上从“无”中产生新空间，而是指时空中共动点之间固有距离的增加。

注：共动点指的是膨胀宇宙中固定的坐标。一个遥远的星系保持其共动位置，尽管我们之间的距离随尺度因子增加而增大。换句话说，它在局部并不“移动”，而是跟随宇宙度规的膨胀。

如果不是空间，那被“创造”的是什么？

当我们说宇宙“创造空间”时，不应想象是在制造虚空，仿佛宇宙在产生某种无形的物质。实际上，演化的是宇宙的几何结构，即两点之间距离的测量方式。

膨胀涉及距离如何测量的问题。

用物理学家的语言来说，时空结构本身是动态的：遥远星系的坐标保持固定（称为共动坐标），但测量距离的"标尺"会随时间变化。因此，拉伸的并非物质性的"时空结构"，而是度规在演化。

换言之，宇宙并非像给气球充气那样增加体积，而是重新定义了"相隔百万光年"的含义。被"创造"的既非虚空也非神秘物质，而是遥远宇宙天体之间距离的相对增长。

一个数学概念，而非物理空间创造

说宇宙“创造空间”是对数学现实的一种比喻性翻译。在宇宙学中，我们处理的并非物质结构，而是一种度量——即用于计算宇宙中两点间距离的公式。当加速膨胀发生时，正是这种度量随时间发生变化。

因此，并非作为实体的"空间"在膨胀，而是点之间的几何关系在变化。弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃克（FLRW）度规提供了理论框架：它表明尺度因子在增大，这意味着两个共动星系即使没有局部运动，它们之间的距离也在增加。

这个词汇对于科普很有用，但需谨记它只是一种简化表述：我们真正描述的是广义相对论几何方程的动态演化： \( G_{\mu\nu} + \Lambda g_{\mu\nu} = \frac{8 \pi G}{c^4} T_{\mu\nu} \)

星系是否在“远离”？

在许多插图中，星系被描绘成彼此越来越远，仿佛它们正在穿越预先存在的空间。然而，在广义相对论的背景下，膨胀不应被这样理解。遥远的星系并非在宇宙中“穿行”；它们保持在共动网格中的位置，而正是这个网格——即度规本身——随着时间被以不同的方式测量。换言之，是度规本身随时间改变了尺度。这并非某种物质在变形，而是测量的规则（距离、间隔）在拉伸。