如果宇宙已经无限大 那么它还会膨胀成什么样子？

烤面包或松饼时，面团会被放入平底锅中。 在烘烤过程中，面团会膨胀，挤压锅边。 如果面糊里有巧克力片或蓝莓，随着面团的上升，它们会散开得更远。

宇宙膨胀的原理与此类似，但有一个关键区别。 面团会膨胀到锅里，而宇宙不会膨胀到任何东西里。 它是在自身内部膨胀。

这个想法让人感觉像脑筋急转弯，因为宇宙包括了一切存在的事物。 没有一个外在的"锅"可以容纳它。 如果存在这样一个容器，它也将是宇宙的一部分--并且会随着宇宙一起膨胀。

宇宙就像烘烤松饼一样膨胀。 太空中的物体相距更远，它们之间的空间更大。 图片来源：芝加哥大学创意部

了解宇宙膨胀

即使像我这样研究宇宙多年的物理学和天文学教学教授，也很难理解这个概念。 这就像问什么地方比北极更北一样棘手。

想象宇宙膨胀的一个有用方法是考虑星系是如何移动的。 科学家之所以知道宇宙在膨胀，是因为他们观察到星系正在远离银河系。 他们用这些星系分离的速度来定义膨胀。 这种方法有助于描述宇宙的增长，而不需要一个外部空间让它膨胀。

宇宙起源

宇宙起源于 138 亿年前的大爆炸。 大爆炸将宇宙的起源描述为一个密度极高、温度极高的奇点。 这个极小的点突然经历了一场名为"膨胀"的快速膨胀，宇宙中的每一个地方都在向外扩张。 但是，大爆炸这个名字有误导性。 它并不像名字所暗示的那样是一次巨大的爆炸，而是宇宙迅速膨胀的时期。

然后，宇宙迅速浓缩和冷却，开始制造物质和光。 最终，它演变成了我们今天所知的宇宙。

膨胀的发现

物理学家亚历山大-弗里德曼于 1922 年首次提出了宇宙并非静止不变，而是可能膨胀或收缩的观点。 他用数学方法证实了宇宙正在膨胀。

虽然弗里德曼证明了宇宙在膨胀，至少在某些地方是这样，但更深入地研究宇宙膨胀率的是埃德温-哈勃。 许多其他科学家证实，其他星系正在远离银河系，但在 1929 年，哈勃发表了他著名的论文，证实整个宇宙正在膨胀，而且膨胀速度正在加快。

加速膨胀之谜

这一发现一直困扰着天体物理学家。 是什么现象让宇宙能够克服万有引力使其保持在一起，同时又通过将宇宙中的物体拉开而不断膨胀？ 除此之外，宇宙膨胀的速度还在不断加快。

许多科学家用一种叫做"膨胀漏斗"的视觉效果来描述宇宙自大爆炸以来是如何加速膨胀的。 想象一个深漏斗，边缘很宽。 漏斗的左边--狭窄的一端--代表宇宙的开端。 当你向右移动时，你的时间在向前推移。 锥体的扩大代表了宇宙的膨胀。

膨胀漏斗直观地显示了宇宙膨胀的速度是如何随着时间的推移而增加的。 漏斗左侧是宇宙大爆炸，从那时起，宇宙膨胀的速度越来越快。资料来源：美国宇航局戈达德太空飞行中心。

科学家们还无法直接测量导致这种加速膨胀的能量来自哪里。 他们还无法探测或测量它。 因为他们无法看到或直接测量这种能量，所以他们称之为暗能量。

根据研究人员的模型，暗能量一定是宇宙中最常见的能量形式，约占宇宙总能量的68%。 构成地球、太阳和我们所能看到的一切的日常物质所产生的能量只占所有能量的 5%左右。

暗物质和暗能量构成了宇宙的大部分。 资料来源：绿岸天文台，CC BY-NC-ND

膨胀漏斗外

那么，什么是扩张漏斗之外呢？科学家们没有证据表明在我们已知的宇宙之外存在任何东西。 不过，有人预测可能存在多个宇宙。 一个包含多个宇宙的模型可以解决科学家们在现有宇宙模型中遇到的一些问题。

我们当前物理学的一个主要问题是，研究人员无法将量子力学和万有引力整合在一起，前者描述了物理学在极小尺度上的工作原理，而后者则统领着大尺度物理学。

连接不同尺度的理论

物质在小尺度上的行为规则取决于概率和量子化或固定的能量。 在这个尺度上，物体可以出现，也可以消失。 物质可以表现为波。 量子世界与我们看到的世界截然不同。

在物理学家称之为经典力学的大尺度上，物体的行为与我们日常所期望的一样。 物体不是量子化的，可以具有连续的能量。 物体不会突然出现或消失。

量子世界的行为有点像电灯开关，能量只有开关选项。 我们看到的世界和与之互动的世界就像一个调光开关，允许所有层次的能量。

但是，当研究人员试图在量子水平上研究引力时，却遇到了问题。 在小尺度上，物理学家必须假设引力是量子化的。 但他们中的许多人所做的研究并不支持这一观点。

银河系之外是一个无限膨胀的宇宙。 资料来源：DECaPS2/DOE/FNAL/DECam/CTIO/NOIRLab/NSF/AURA，图像处理： M. Zamani & D. de Martin (NSF's NOIRLab)

理论影响与未来展望

多重宇宙理论是让这些理论共同发挥作用的方法之一。 有许多理论都超越了我们当前的宇宙，来解释引力和量子世界是如何协同工作的。 其中一些主要理论包括弦理论、膜宇宙学、环量子理论等。

无论如何，宇宙将继续膨胀，随着时间的推移，银河系和大多数其他星系之间的距离将越来越长。

作者：尼科尔-格拉努奇（Nicole Granucci），昆尼皮亚克大学物理讲师。

改编自最初发表在 The Conversation 上的一篇文章。