宇宙会膨胀到底吗（宇宙会各向异性膨胀吗）
宇宙会膨胀到底吗（宇宙会各向异性膨胀吗）不幸的是，迪克永远没有机会了。 阿诺·彭齐亚斯（Arno Penzias）和鲍勃·威尔逊（Bob Wilson）偶然发现CMB辐射，他们使用霍姆德尔霍恩天线，无论白天黑夜，到处都有一个低能量恒定的信号“嗡嗡”声。太阳和银河平面上有多余的东西，但是仅此而已。除此之外，各处的辐射都相同，这确实是大爆炸留下的余辉。只有当宇宙膨胀到足以使剩下的高能光子无法电离这些原子的时候，中性原子才能稳定地形成：这个过程需要数十万年。这些中性原子一旦形成，那些残留的光子便会穿过宇宙，波长太长而无法与那些原子相互作用。在此后的数十亿年里，它们应该一直红移到光谱的微波部分：宇宙微波背景（CMB）。有了合适的设备——由小组组长鲍勃·迪克首创的迪克辐射计——他们终于可以探测到它。但这种膨胀意味着什么仍然有待解释。许多其他的解释可以诠释这一可观察到的事实；大爆炸是我们今天最熟悉的一个，因为它非常适合所有数据，但这并不是一
本月初，一项新研究出来了，令人震惊：也许宇宙正在以不同的速度向不同的方向膨胀。他们观察了800多个发射X射线的星系团，测量了它们的温度、亮度和红移，并推断出它们离我们多远，以及离开我们的速度。
令人惊讶的是，他们发现一个方向与高于平均水平的膨胀速度一致，而不同的、不完全偏移的方向与低于平均水平的膨胀速率一致，这两个方向与平均值相差约10%。不幸的是，这种解释已经被一组更好的观测结果排除了：来自宇宙微波背景（CMB），也称为大爆炸的余辉。
- 图注：如果我们看得越来越远，我们也会越来越深入地回顾宇宙过去。我们在时间上能看到的最远的是138亿年：我们对宇宙年龄的估计，这是追溯到最早的时代，导致了宇宙大爆炸的概念。虽然我们观察到的一切都符合大爆炸的框架，但这并不是一个可以证明的东西。
这个故事始于20世纪20年代，爱因斯坦的广义相对论刚刚推翻了牛顿引力理论，它是我们关于质量、能量、空间和时间在我们的宇宙中如何表现的理论。广义相对论不仅能够再现牛顿引力的所有成功，而且在牛顿无法取得成功地的地方也取得了成功：解释了水星轨道的细节。当1919年的日食最终证明爱因斯坦（而不是牛顿）给出了正确的预测时，科学革命就完成了。
但是广义相对论只告诉我们什么方程支配着宇宙；该理论没有告诉我们什么条件真正适用于宇宙。在20世纪20年代，许多科学家研究了如果宇宙均匀充满物质和能量，宇宙将如何运行，并导出了膨胀宇宙的方程。当关键数据出现时，它与这些预测明显吻合；宇宙本身正在膨胀。
- 图注：最初是1929年哈勃望远镜观测到的宇宙膨胀，随后又进行了更详细、但也不确定的观测。哈勃图表清楚地显示了与前辈和竞争对手相比，与优势数据之间的红移距离关系；而现代的同类数据则走得更远。注意，即使在很长的距离内，奇特的速度仍然存在，但是重要的是总体趋势。
但这种膨胀意味着什么仍然有待解释。许多其他的解释可以诠释这一可观察到的事实；大爆炸是我们今天最熟悉的一个，因为它非常适合所有数据，但这并不是一个必然的结论。大爆炸不同于其他可能的解释，它假设宇宙是庞大的，并且正在膨胀，因为宇宙是从更小，更致密的过去演变而来的。
这个想法导致了许多非凡的预测，包括：
- 一个宇宙，在过去的某个给定时间首先出现恒星和星系，然后由于引力而在更晚的时候更紧密地聚集在一起，
- 一个过去更热，波长更短的宇宙，导致宇宙第一次冷却形成中性原子的时代，
- 还有一个更早，更热的时间，在该时间无法形成原子核，从而可以预测原始质子和中子的融合会形成第一个原子核。
- 图注：当宇宙膨胀和冷却时，自由电子和质子与光子发生碰撞的宇宙转变为对光子透明的中性宇宙。这里显示的是CMB发射前的电离等离子体（L），然后是对光子透明的中性宇宙（R）。光一旦停止散射，就会随着宇宙的膨胀而产生自由流和红移，最终在光谱的微波部分结束。
到了20世纪60年代，普林斯顿的一个天体物理学家团队已经为第二点提出了一个观测测试：测量宇宙最初形成中性原子的时间。如果宇宙真的有一个热的、稠密的起源，它从那里膨胀和冷却，那么早期的质子（和其他原子核）会试图与存在的电子结合，但是来自年轻宇宙的高能辐射会把它炸开。
只有当宇宙膨胀到足以使剩下的高能光子无法电离这些原子的时候，中性原子才能稳定地形成：这个过程需要数十万年。这些中性原子一旦形成，那些残留的光子便会穿过宇宙，波长太长而无法与那些原子相互作用。在此后的数十亿年里，它们应该一直红移到光谱的微波部分：宇宙微波背景（CMB）。有了合适的设备——由小组组长鲍勃·迪克首创的迪克辐射计——他们终于可以探测到它。
- 图注：根据彭齐亚斯和威尔逊的最初观察，银河系的平面放射出一些天体物理辐射源（中心），几乎都是完美的，均匀的辐射背景。现在已经测量了这种辐射的温度和光谱，并且与“大爆炸”的预言相符。如果我们可以用眼睛看到微波，那么整个夜空将看起来像所示的绿色椭圆形，到处都是2.7255 K的恒定温度。
不幸的是，迪克永远没有机会了。 阿诺·彭齐亚斯（Arno Penzias）和鲍勃·威尔逊（Bob Wilson）偶然发现CMB辐射，他们使用霍姆德尔霍恩天线，无论白天黑夜，到处都有一个低能量恒定的信号“嗡嗡”声。太阳和银河平面上有多余的东西，但是仅此而已。除此之外，各处的辐射都相同，这确实是大爆炸留下的余辉。
但这仅仅是转变成令人难以置信的大量科学信息的开始。在CMB中编码的是有关宇宙的各种信息。首先，大爆炸预测CMB将拥有一个完美的黑体的光谱，具有非常特殊的能量光谱，观测到不同波长的光谱应该能证明。当决定性数据出来时，这一预测得到了明确证实。
- 图注：大爆炸模型的独特预测是，会有剩余的辐射光从各个方向渗透到整个宇宙。辐射将比绝对零值高出几度，在任何地方都将具有相同的强度，并且服从完美的黑体光谱。这些预测得到了很好的证实，从可行性中消除了诸如稳态理论之类的替代方法。
其次，由于宇宙如何成簇和成团在一起，我们完全可以认为各个星系是根据周围高密度和低密度区域附近的引力影响沿随机方向拉动。已经针对其他星系检测到了这些运动，对应的标度范围为每秒几百到几千公里。
但是CMB为我们提供了一个相对于该参考系测量自己的运动的机会：我们应该看到一个“宇宙偶极子”，其中一个方向看起来更蓝（或更热），而相反方向看起来更红（或更凉）。 这些冷热方向必须彼此精确地以180度定向。上世纪70年代末，这个方向被探测到，与目前370公里/秒左右的累积运动相对应，此后被证实达到了惊人的精度。
- 图注：大爆炸的余辉在一个方向（红色）比平均值高3.36毫开尔文，在另一个方向（蓝色）比平均值低3.36毫开尔文。这是由于我们在空间中相对于宇宙微波背景的静止框架的总运动，这是特定方向上光速的约0.1％。
该运动会在CMB中产生巨大的温差：“蓝色”方向的温度大约比平均温度2.725 K高0.0033 K，“红色”方向的温度大约平均温度低0.0033 K。如果把800分之一的温差称为巨大的温差，可能有点戏剧性，但当你将它与CMB中的其他温度波动进行比较时，就会发现：这些波动起源于宇宙的温差。
正如我们早已知道的那样，宇宙不可能诞生得非常完美。它需要两个品种的种子波动：
- 密度过大的区域，这些区域将优先吸引物质并成长为恒星、星系和宇宙的大尺度结构，
- 以及低密度区域，它们会优先把物质交给周围更密集的区域。
直到1990年代，我们才第一次看到这些波动，它们的波动性比宇宙偶极子弱约100倍。
- 图注：COBE是第一颗CMB卫星，其波动幅度仅为7º。 WMAP能够在五个不同的频带中测量低至0.3°的分辨率，而普朗克在九个不同的频带中测量的分辨率低至仅0.07°。所有这些天文台都探测到了宇宙微波背景，证实这不是大气现象。这些图上的比例对应于大约几十微开尔文的波动，与理想的各向同性相差很小。
这些是温度波动，它对任何类型的各向异性（即不同方向的不同）膨胀设定了限制。很明显，宇宙并不是在所有方向上均匀膨胀的，但是膨胀不均匀程度的极限，是由我们在不同方向上看到的温度波动的强度所决定。
如果我们想将来自COBE，WMAP和普朗克卫星的数据，转换为不同方向膨胀速度的限制，则它与平均膨胀速度的差约为0.1 km / s，这个数字远比我们目前实际测量膨胀率的能力更精确。
这就是为什么本月初的X射线论文声称相差约12 km / s，不能对数据进行正确的解释。
- 图注：如果宇宙的膨胀确实是各向异性的，那么它将仅代表相当于约0.1 km / s的运动差异。这个推断的信号显然不是偶极子的性质，它太大了以至于不能与各向异性膨胀的解释相一致。
但是，这并不意味着它不是一篇好论文，也不意味着它的数据和结果可能不会令人感兴趣。当然，该方法可能存在根本性缺陷，这是社区中许多人所警惕的。也有可能数据解释不正确；尤其是在早期阶段，这些都是困扰科学分析的系统错误和不确定性。
但是也有可能产生真正的效果，而且我们看到星系团在不同方向上的行为有所不同。 可能不是因为宇宙在不同方向上的膨胀不同，而是因为存在大规模的宇宙运动，它们在不同方向上对星系的影响不同。正如我们以相对于CMB的约370 公里 /秒的速度移动时，这些星系和星系团可能会经历相似的大体积流动，但实际上在不同方向上存在差异。
- 图注：附近星系和星系团的流动（如流动的“线”所示）由附近的质量场绘制出来。最大的超密度（红色）和低密度（黑色）来自早期宇宙中非常小的引力差异，可能是X射线团在不同方向上具有不同性质的原因。
在任何科学研究中，重要的是要考虑我们的观察和实验给我们带来的结果，即使它们违背了你的预期。但是，负责任地解释我们的结果也很重要：在得出结论时，我们不能忽视大量的证据和数据——特别是当这些数据的质量比我们自己的还要高的时候。
在这个特殊的例子中，有一些初步的证据表明星系团在某些方向上表现出与其他方向不同的性质，这很有趣。无论是因为所用的方法，所采集和分析的数据，还是通过宇宙的实际运动，在整个21世纪20年代将是越来越多更好的科学最好的答案，但这绝对不是因为宇宙在不同方向上的不同膨胀。几十年来，已有足够的证据完全排除了这种可能性。
