地球上的一切，我们所处的太阳系、我们的星系以及更远的一切，都包含在宇宙之中。那么，科学究竟告诉我们关于这个包罗万象的四维摇篮（容纳所有时空）多少信息呢？很多。
在不同文化和时代，哲学家、数学家和天文学家们一直在争论和推测关于夜空的事情。但在 20 世纪 20 年代初，在亨丽埃塔·斯旺·勒维特等人的工作基础上，天文学家埃德温·哈勃提供了第一个清晰的证据，证明通过望远镜可见的那些旋转的星团实际上是遥远的星系，与我们自己的银河系相当。通过捕捉诸如脉动的造父变星等太空天体的详细、长时间曝光图像，哈勃证实了仙女座星云等天体的真实性质。它们不仅仅是近处的星云，而是遥远的恒星和行星的岛屿。
在一个世纪以来，我们看清宇宙的能力和看得更远的能力已经有了显著的提高。詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）是有史以来发射的最先进的望远镜，它能常规地提供来自宇宙各处的非凡图像。利用来自太空望远镜和其他仪器的数据，天文学家、宇宙学家和天体物理学家能够推断和预测宇宙的形状、变化速率和特征的许多方面。以下是我们所知道的，以及我们所不知道的。
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宇宙有多大？
让我们先解决一个令人失望的事实：“我们永远、绝对不可能知道，”澳大利亚斯威本科技大学的天体物理学家萨拉·韦伯告诉《大众科学》，“宇宙到底有多大。”
然而，我们确实知道宇宙比 930 亿光年还要大。这是我们发现自己位于中心的“可观测宇宙”的直径。我们能够观测和测量恒星的能力受到宇宙年龄和光速的限制。我们能看到的唯一光线就是自大爆炸（大约 138 亿年前发生）以来能够传播到我们的光。因此，传播了 138 亿光年的光是我们能看到的最古老的光。
然而，可观测宇宙在每个方向上都比 138 亿光年更远，因为在空间存在的整个时间里，它也一直在膨胀。这种膨胀意味着 138 亿年前的光实际上已经传播了 465 亿光年才到达我们的眼睛和望远镜。
“这意味着，理论上，当我们把所有这些加起来时，空间实际上比光速膨胀得更快——这确实在概念上令人费解，”韦伯说。“时空的虚无并不真正遵循物质和物理定律。”
虽然我们没有关于宇宙总大小的确凿证据，但韦伯认为它很有可能是无限的。“没有任何理由认为它应该是有限的。没有什么理由说这里或那里应该有一个边界，”她说。
边界的存在仍然是一个问号，但天体物理学家普遍认同宇宙的形状：它是平坦的，尽管可能不像你想象的那样。平坦并不意味着我们的宇宙是二维的（毕竟时空存在于四维）。然而，它确实意味着在宇宙中不改变方向地向前行进，永远不会回到你出发的地方。韦伯说，宇宙最有可能是一个四维的纸张，而不是甜甜圈、球体或普林格尔薯片。
我们怎么知道宇宙在膨胀？
通过关于来自遥远恒星的光的理论和测量，20 世纪初的几位天文学家提出宇宙正在膨胀。1924 年，瑞典天文学家克努特·伦德马克发现了宇宙膨胀的第一个观测证据。哈勃的工作于 1929 年证实了这些发现。这些早期观测依赖于一种称为红移的现象，它是多普勒效应的视觉形式。
想想救护车经过时警笛声的音调如何随着车辆的位置和速度而变化：靠近时声音更高，远离时声音更低。同样，我们对光波的感知也会受到光源运动和速度的影响。朝你移动的光会显得更蓝，而远离你的光会显得更红，因为波的峰值和谷值会分别被压缩和拉伸。
哈勃等人注意到，他们发现的所有星系从地球上看都呈红色，距离越远的星系红移越大。这表明所有星系都在离我们远去。距离越远的星系似乎以更快的速度飞向太空，因为我们和它们之间有更多的虚空在膨胀。
除了红移观测，天文学家过去和现在还依靠“标准烛光”来评估宇宙的大小和速度。芝加哥大学天文学家兼博士候选人阿比盖尔·李表示，标准烛光是具有已知亮度的宇宙学标记，可用于观察光在空间和时间中的传播和变化。第一个标准烛光类型是哈勃发现的造父变星，它们是脉动恒星，以规则的周期性模式发出明亮的光，可用于推断它们与地球的距离。
李用一个生动的类比来解释。想象一个 40 瓦的白炽灯泡。所有相同瓦数的灯泡具有相同的内在亮度。然而，如果你从 100 英尺远的地方看灯泡，它会比从 10 英尺远的地方看显得更暗。这种相对的暗度可用于计算灯泡的距离。宇宙中的造父变星也是如此。用于相同目的的其他标准烛光包括某些类型的超新星（即爆炸的恒星）、“红巨星分支尖端”恒星和碳星。李告诉《大众科学》：“我们知道这些恒星具有完全相同的内在光度，因此我们可以利用这个特性来测量距离。”
通过寻找包含这些标准烛光的星云，我们可以估算出地球与其他星系之间的距离。2011 年，三位科学家因证明宇宙不仅在膨胀，而且暗能量正在加速这种膨胀而获得了诺贝尔物理学奖。
暗能量是一种神秘的排斥力，将空间物质和物体分开。暗能量的膨胀力通常被认为在整个宇宙中是均匀的，以相同的力量推开所有物体。然而，膨胀本身并非均匀可观测。在我们的行星、太阳系和星系内部，引力相互作用将事物相对地束缚在一起，使其不太受暗能量的影响。而且膨胀速度本身不足以在小尺度上轻易观察到。要检测它，你需要观测非常遥远的天体。
宇宙的膨胀速度有多快？
根据他早期的观测，哈勃首次提出宇宙的膨胀速度约为每秒 500 公里/百万秒差距（Mpc），其中百万秒差距等于 326 万光年。宇宙膨胀的速度后来被称为哈勃常数（H0），尽管事实是这位同名天文学家的初始估计结果相当不准确。
现在我们对膨胀率有了更清晰的认识。科学家们普遍认为 H0 在 65-75 km/sec/Mpc 之间。如果这听起来很复杂，那是因为它确实很复杂。宇宙膨胀的速度取决于时间和距离。在更大的空间区域和更长的时间内，它会更大。而精确速度的问题仍然悬而未决。根据你问谁以及如何测量，对真正 H0 的计算结果各不相同。大体上，两种量化 H0 的方法通常会产生不同的结果。这种差异被称为“哈勃张力”。
根据一组依赖于相对较近的标准烛光计算的测量结果，H0 为 73 ± 1 公里/秒/百万秒差距。根据另一种依赖于宇宙背景辐射测量的分析，H0 为 67 ± 1。“两种测量结果的误差范围都非常精确，没有误差空间，”李说。
有一段时间，天文学家认为更精确的仪器可以解决这种张力，使测量值更接近，但事实并非如此。“人们的技术越来越好，但这种张力并没有真正改善，”她补充道。最新的计算，基于 JWST 数据，仍然没有使 H0 估计值更接近。
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“目前暗能量正处于危机之中，因为即使所有进行的科学研究都极其严谨，但一切都不能真正达成一致，”韦伯说。
有可能这种差异仍然是由于测量误差。然而，也有可能发生了更大的事情。韦伯提出，也许导致宇宙膨胀的暗能量理论并不完全均匀。也许我们需要一种新的物理学理论来统一这些观测。
科学家们正在从各个方面着手解决这个问题，考虑如何改进测量方法以及提出可能的宏观解释。“互补的方法是好的，”李说。“也许我们可以停止寻找错误，如果人们找到了一个能够将一切联系起来的物理理论，也许他们就可以停止了，如果我们找到了一个大的测量错误，”她说。
然而，所有这些研究都依赖于持续的资金和联邦投资。美国宇航局预算的大幅削减将取消几个主要任务，包括南希·格蕾丝·罗曼空间望远镜的发射。下一代空间望远镜是专门用来探测暗能量和宇宙膨胀的奥秘的。经过多年的开发，它已接近发射——比计划提前，而且预算低于预期。现在，它有可能永远无法进入太空，留下一个可能产生新发现的黑洞。
本文是《Popular Science》“有问必答”系列的一部分，我们在此回答您最离奇、最烧脑的问题，从日常到不寻常的问题。有什么一直想知道的吗？ 问我们。
