本文转自：“中国科技教育”微信公众号
现代宇宙学认为，大爆炸发生之前，不仅没有时间，也没有空间。空间是和时间、物质一起在大爆炸中从无到有创生出来的。
一提到大爆炸宇宙学，许多人头脑中会有这样的图像：他们以为在“爆炸”发生前，已经存在空间和时间。所谓大爆炸，就是在空间某一处有一块高密度的物质爆炸了，或者完全无中生有地在空间某一点崩出物质来了。那里密度和压强都很大，周围一无所有的空间则密度为零。然后物质在空间中扩散开来，逐渐充满整个宇宙，空间各处的密度和压强也趋于相等。按照这样的图像，时间、空间先于物质而存在，而且大爆炸发生在空间的某一点，那一点就是大爆炸的中心（见图1的上图）。这种图像是错误的。
图1 大爆炸如何发生
正确的图像如图1的下图所示，在大爆炸之前没有空间，空间和时间都是与物质一起从爆炸中创生出来的。因为爆炸发生前根本不存在空间，所以大爆炸没有中心，此后的宇宙膨胀也没有中心。创生之后，空间不断膨胀，物质的密度随着空间膨胀而降低，但对于任何一个确定的时刻，空间各点的密度都是相等的，物质始终均匀地分布着。
有人用膨胀的气球说明宇宙膨胀。如图2所示，一个小孩在吹气球。气球的球面代表一个二维空间，上面的墨水点就好比一个个星系。气球膨胀时，生活在任何一个墨水点上的二维生物，都会觉得其他的墨水点（星系）在远离自己。我们的三维空间膨胀与气球面所示的二维空间的膨胀完全类似。这个图像很好地比喻了宇宙膨胀，直观地告诉我们，膨胀没有中心，或者说空间的任何一点都是膨胀的中心。
图2 吹气球的小孩
哈勃认为，哈勃定律描述的宇宙学红移是多普勒效应的表现。此后许多年，人们也一直认为宇宙学红移属于多普勒效应。然而近年的研究表明，宇宙学红移其实不属于多普勒效应。
多普勒效应是空间本身不变化，光源相对于观测者运动而造成的。而宇宙学红移则是空间本身膨胀造成的，作为光源的远方星系，以及观测者所处的地球，在空间的位置并没有动。星系与地球在空间的位置，用图3中的格点表示。从图3的右图可以看出，星系与地球没有做相对运动，只是格子变大了，因而它们的距离在拉开。
图3左图表示的是假设宇宙学红移是多普勒效应的情况。空间本身没有膨胀，格点距离没有拉大，远方星系在远离地球“运动”。这时地球上的观测者会看到红移，光的波长在离开星系那一刻，已经增大了，已经发生了红移。如果这个图像是正确的，那么位于星系另一侧的外星人将看到星系向它们飞来，光谱线应该发生蓝移。如果真是这种情况，四面八方的远方星系，不可能在我们看来都表现出红移，除非我们这里是膨胀的中心。然而上文已经谈到，宇宙的膨胀没有中心，认为我们这里是膨胀中心的想法是荒谬的。
图3的右图正确反映了宇宙膨胀。光线在脱离星系时，波长没有变化，红移没有产生。波长是在空间膨胀（格点间距离增大）过程中逐渐拉大的，也就是说，光谱线的红移是随着空间膨胀而出现的。另外，按照这一正确图像，位于星系另一侧的外星人也将看到红移，位于宇宙中任何一处的人，都会看到远方星系均发生红移。这正是我们今天观测到的情况。
图3 宇宙学红移不是多普勒效应
需要说明的是，位于我们的本星系群中的那几个光谱线发生蓝移的星系，它们的蓝移确实是多普勒效应造成的。本星系群中的星系围绕共同的质心转动，向我们银河系飞来的星系，表现出多普勒效应的蓝移，做远离我们运动的星系，表现出多普勒效应的红移。
总之，本星系群中的那些河外星系的红移和蓝移，都是多普勒效应的表现。本星系群之外的河外星系都只表现出红移，而且遵从哈勃定律，离我们越远的红移越厉害，这种宇宙学红移，不是多普勒效应造成的，而是空间膨胀造成的。
由于空间膨胀是广义相对论的结论，是时空弯曲的一种动力学效应，所以宇宙学红移本质上属于“引力红移”。
一个有趣的问题是，既然宇宙在膨胀，我们的银河系、太阳系、地球，甚至我们自身是否都在膨胀？
如果我们自身随着宇宙一起膨胀，而且按照相同的比率膨胀，分子、原子都在膨胀，尺子本身也膨胀，那我们就根本发现不了宇宙膨胀了。图4上图描述的就是这种情况。当然，这是错误的。
真实情况如图4下图所示，在宇宙诞生初期，的确所有的物质包括基本粒子都在膨胀。但是当宇宙膨胀到一定程度时，物质间万有引力的吸引效应开始发挥作用，所以我们的本星系群不再膨胀，群中的所有星系，包括我们的银河系也不再膨胀，银河系中的所有恒星、行星、分子、原子都不再膨胀，我们人体、我们的尺子，也都不再膨胀。不过各星系团（群）之间的引力效应不能阻止“团”间距离的拉大，所以各星系团仍在相互远离，宇宙仍在膨胀。由于我们自身不再膨胀，尺子不再膨胀，因此我们能够通过观测发现宇宙在膨胀。
图4 宇宙中的各种物质是否都在膨胀
赵峥
1967 年毕业于中国科技大学物理系，1981 年于北京师范大学天文系获硕士学位，1987 年于布鲁塞尔自由大学获博士学位。曾任北京师范大学研究生院副院长、物理系主任、中国引力与相对论天体物理学会理事长、中国物理学会理事。现为北京师范大学物理系教授，理论物理博士生导师、教育学博士生导师。