宇宙的膨胀率和组成成分的比例_宇宙膨胀过程中各种能量密度的变化

宇宙是在运动的，它有它的生命。——〔法〕罗曼·罗兰

每当说起宇宙，无不提及宇宙亿万年的成长和演化过程，而我们讨论的话题也从最小到最大，从地球到宇宙，从宇宙的起源到它最终的命运。宇宙犹如生命一般，无时无刻不在变化。而且我们现在还知道宇宙正在加速膨胀，那么问题又来了：宇宙加速膨胀是啥时候开始的？我们是如何知道的？

下面我们来说说宇宙，以及它膨胀的历史。

广义相对论掌控下的宇宙

其实我们对宇宙了解的时间不是很长，因为不到100年前，我们才知道宇宙中巨大的螺旋星云并不是银河系中形成的原始恒星，而是整个模糊的星云本身，是距离我们足足有数百万到数十亿光年远的独立星星岛屿。然而，就在我们的视野走出银河系不久后，我们很快意识到星系的位置和它离我们有多远之间存在着一种令人惊讶的关系。

上图就形象的描述了宇宙距离阶梯这个概念：第一阶梯通过视差法测量距离、第二阶梯通过变星周光关系、第三阶梯通过Ⅰa 型超新星爆发

在广义相对论中关于宇宙有几个确切的解（膨胀、静止和收缩），但其中一个解恰好地描述了我们的宇宙：一个在最大尺度上均匀膨胀的宇宙。虽然我们的宇宙在几千万光年的尺度上不是均匀的，但是当我们考虑几百亿光年的尺度时，这种不均匀性的差异非常小，基本可以忽略不计，因此我们说宇宙是均匀和各向同性的。

那么为什么说宇宙在几千万光年的尺度上存在差异，而更大尺度上说宇宙是平滑的（均匀同性）？这个问题大家可以通过文章右上方的搜索图标了解下，下图中的第一个就是我前几天发表的问答。

这个解决方案我们也称之为：弗里德曼－勒梅特－罗伯逊－沃尔克度规，简称FRW度规。主要说的是宇宙大尺度上均匀各向同性，以及膨胀率由空间曲率决定，虽然当时没有考虑暗能量，但这个解比其他任何方法都能更好地描述我们的宇宙。

FRW度规告诉我们，星系之间的空间，或者任何结构之间的空间，如果它们之间没有引力联系，将会发生膨胀。如果我们想知道空间是如何膨胀的，也就是以什么样的速度膨胀，我们需要知道两条信息：

在我们宇宙历史的任何时刻，膨胀率是多少

在我们的宇宙中物质和能量的类型和比例是什么。

如果我们能弄清楚这两条信息，我们不仅能弄清楚我们宇宙的命运，还能弄清楚宇宙自大爆炸以来的膨胀率是多少，现在是多少，将来会是多少？

宇宙的膨胀率和组成成分的比例

第一个很简单，我们有很多不同的方法来解决这个问题。通过测量宇宙中各种物体的距离以及它们远离我们的速度，我们可以算出今天的膨胀率。尽管在20世纪90年代之前的很长一段时间内，这个速率一直存在争议，但我们最终确定，宇宙膨胀率大约在67 km/s/Mpc左右（其中一个Mpc大约是3260,000光年），不确定度仅在2或3 km/s/Mpc左右。

第二个宇宙成分比例是我们从很多不同类型的观测中得到的，包括从遥远的天体，如超新星，宇宙微波背景，大尺度结构，特别是重子声波振荡。

图中CBM：微波背景，BAO：重子声振荡，SNe:超新星数据

我们得出的结论是，我们的宇宙大致由以下能量组成：

以光子为形式的辐射大约占了总质能的0.01%

以正常（质子-中子-电子）物质的形式大约占了总质能的4.9%，

包括中微子在内的所有形式的暗物质加在一起约占总质能的27%，中微子本身约占总量的0.1%，其余的是未知成分，

剩下的68%左右以暗能量的形式存在，而且据我们观察，暗能量与宇宙常数几乎没有区别。

据我们目前所知，这就是宇宙的组成。这里又有一个问题，为什么说暗能量与宇宙常数一样？这还是个比较大的话题，大家可以在搜索栏中搜索下有关于宇宙常数的问题。

当我们说宇宙加速膨胀的时候，并不意味着当前的膨胀速率（67公里/秒/Mpc）正在增长。而是说离我们任意远的星系，每过1个Mpc星系远离我们的速度就会增加67公里/秒，如果是10 Mpc，对应的膨胀速度是670千米/秒。

10 Mpc这是一个特定距离的星系远离我们的速度。随着宇宙继续膨胀，密度会越来越小，因此能量密度也在下降。因为膨胀速率依赖于能量密度，所以膨胀率也会持续下降。但是由于宇宙在这段时间里一直在膨胀，所以我们所观测的星系还是会离我们越来越远。

想想这意味着什么：未来的膨胀率会更小，但单个物体会离我们更远。如果我们想算出一个物体在时间上远离我们的表观速度，我们需要把膨胀率和物体的距离增加的速度相乘，所以问题是什么哪个变化得更快：膨胀率下降的百分比？还是物体离我们的距离增加的百分比？

宇宙膨胀过程中各种能量密度的变化

这取决于宇宙总能量密度中物质和辐射的占比是多少，物质和辐射的能量密度都会随宇宙的膨胀而稀释，但宇宙常数的占比不同，不会变化！让我们来看看物质、辐射和暗能量（宇宙常数）是如何随时间变化的。

现在，我们的宇宙由暗能量主导，所以膨胀率下降的速度比距离增加的速度要慢：当膨胀率再下降10%的时候，星系离我们的距离大约会增加两倍，这意味着物体在加速。但是在过去，宇宙的暗能量要少得多（按百分比计算），而物质要多得多。如果我们追溯到足够早期的宇宙，辐射密度会超过了暗能量和物质！在物质和辐射的主宰的宇宙中，膨胀率下降得更快，宇宙处在减速时期。在宇宙138亿年的历史中，暗能量掌控宇宙的时间并不太长，一直远离我们的星系才开始加速！

总结：宇宙加速膨胀开始在暗能量掌控宇宙的时期

从数学上讲，宇宙从最初几十亿年的减速，到最近几十亿年的加速，这一转变发生在暗能量密度达到总能量密度一半的时候。现在，暗能量是物质密度的两倍多，在暗能量掌控宇宙的时候，当时宇宙的大小是现在的62%。宇宙学家只要用一点数学再加上天体物理学的一点帮助，就能计算出宇宙在被暗能量掌控时的年龄，那时宇宙大约有78亿年的历史，或者说大约60亿年以前，也就是太阳系形成之前的15亿年。

如果我们将整个宇宙的历史浓缩成一个年，那么宇宙将在7月27日开始加速。