膨胀的宇宙："创造空间"究竟意味着什么？

空间创造的悖论

哈勃定律与膨胀的测量

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，提供了宇宙膨胀的第一个观测证据。 这一关系被称为哈勃定律，其表达式为 v = H₀ × d，其中 v 是退行速度，d 是距离，H₀ 是哈勃常数。

宇宙加速膨胀与暗能量

1998 年，两个独立的研究Ia 型超新星的团队做出了革命性的发现：宇宙膨胀并没有如预期那样减缓，而是在加速。 这一观测获得了 2011 年诺贝尔物理学奖，意味着存在一种排斥性能量，被称为"暗能量"，它约占宇宙能量内容的 68%。

下表总结了宇宙的组成以及各成分在膨胀动力学中的作用。

膨胀的宇宙"创造空间"吗？

共动点的概念

膨胀宇宙中"空间创造"的概念十分微妙，常被误解。 它并不是哲学意义上"无"中生有地出现新空间，而是时空共动点之间固有距离的增加。

注：
共动点指的是膨胀宇宙中的固定坐标。 遥远星系保持其共动位置，即使它与我们之间的距离随标度因子增加。 换言之，它并不是局部地"移动"，而是遵循宇宙学度规的膨胀。

如果不是空间，那么"创造"的是什么？

宇宙的动态几何

当我们说宇宙"创造空间"时，不应想象成真空的制造，仿佛宇宙在产生某种看不见的物质。 实际上，演化的是宇宙的几何，即两点之间距离的测量方式。

"膨胀"关乎我们测量距离的方式

用物理学家的语言来说，时空的结构本身是动态的：遥远星系的坐标保持固定（被称为共动），但用于测量距离的"尺子"随时间变化。 因此，膨胀的不是物质的"织物"，而是演化的度规。

换言之，宇宙并不像给气球充气那样增加体积，而是不断重新计算相隔一百万光年意味着什么。 "被创造"的既不是真空，也不是神秘物质，而是遥远宇宙物体之间距离的相对增加。

与其说是物理上的空间创造，不如说是数学概念

说宇宙"创造空间"是一种将数学现实转化为形象的表达方式。 在宇宙学中，我们操作的不是物质织物，而是度规，即指示如何计算宇宙中两点之间距离的公式。 当加速膨胀起作用时，随时间变化的正是这个度规。

因此，增加的不是作为物质的"空间"，而是点与点之间的几何关系在转变。 弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃克（FLRW）度规提供了框架：它表明标度因子在增加，这等价于说两个共动星系即使局部不移动，其距离也会增大。

这种词汇有助于科普，但必须记住它是一种简化：真正描述的是广义相对论几何方程的动态演化： \( G_{\mu\nu} + \Lambda g_{\mu\nu} = \frac{8 \pi G}{c^4} T_{\mu\nu} \)

"远离"的星系？

表观退行，而非局部运动

在许多插图中，星系被画得越来越远，仿佛它们真的在已经存在的空间中移动。 但在广义相对论框架中，膨胀不应如此理解。 遥远星系并不"穿越"宇宙，它们保持共动网格上的位置，而随时间以不同方式被测量的是这个网格，即度规本身。 换言之，随时间改变尺度的是度规本身。 变形的不是物质，而是测量规则（距离、间隔）在拉伸。

注：
以所谓"超光速"退行的极遥远星系并不违反狭义相对论，因为它们不对应局部运动，而是几何本身的演化。