迈克尔·韦斯（Michael Weiss）于2017年更新（当前哈勃常数）。
迈克尔·韦斯原创。

如果宇宙正在膨胀，这是否意味着原子越来越大？是太阳系膨胀？

费利克斯女士：你为什么不做作业？
阿伦·费利克斯（Allen Felix）：宇宙正在膨胀。一切都会崩溃，我们都会死去。什么是重点是什么？
费利克斯女士：我们住在布鲁克林。布鲁克林没有扩张！去做你的作业。

（来自安妮·霍尔伍迪·艾伦（Woody Allen）

费利克斯夫人是对的。布鲁克林、其原子、太阳系甚至星系都不是扩大。只有当平均值超过大规模。

“宇宙膨胀”一词既指实验观测，也指理论宇宙学模型。让我们从观察开始，一次看一个。

观察

这是哈勃红移定律。

1929年，哈勃报告说，来自遥远星系的光线发生红移。如果你解释这个红移作为多普勒频移，那么星系正在按照这个规律后退：

衰退速度=小时×距地球的距离。

小时称为哈勃常数；哈勃望远镜的原始值小时为550 km/s/Mpc（约169 km/s/Mly，其中，“Mpc”表示mega-parsec，Mly表示mega-light-year：见下一段）。最新估计小时放速度为69 km/s/Mpc（21 km/s/Mly；参见这个NASA网页,或本页来自哈佛史密森中心天体物理学了解更多细节。）

关于单位的单词。天文学家几乎总是报告小时单位为千米每秒每兆秒（km/s/Mpc）。 parsec是传统的距离单位，约等于3.26光年。parsec和光年都不是一个官方国际单位，尽管这两个单位都得到了IAU的批准。但（就我而言）有一种更具启发性的方法表示常数。请注意，km/Mpc是无尺寸的，其尺寸是长度/长度！所以国际单位制对于小时实际上是倒数秒，s⁻¹。这意味着1/小时是一个时间.你也许这就是宇宙的年龄。它是一个粗略估计但因为小时更改为时间（见下文），实际年龄不同。现在的价值小时已写入小时₀. 所以，使用小时₀=21 km/s/Mly，我们估计1/小时₀=1/21 Mly/km s=1420亿年。这比目前最好的估计（1390亿年）要大一点。哈勃原始值，169km/s/Mly，换算成大约180亿年。

哈勃红移公式确实如此不意味着地球在宇宙。我们熟悉的宇宙模型是一个膨胀的气球，上面点缀着星系，这表明哈勃对其他星系的另一个自我也会做出同样的观察。

但在我们的树林中的天文物体——我们的太阳系，我们的星系，附近的星系——显示了没有这样的哈勃红移。附近的恒星和星系做显示相对于地球的运动（已知但这看起来不像是遥远星系的“哈勃流”。例如，仙女座星系显示出蓝移而不是红移。所以观察结果是：我们的星系没有膨胀。

理论

理论模型通常是弗里德曼-罗伯逊-沃克（FRW）时空。

宇宙学家使用“时空”来建模宇宙，也就是说，爱因斯坦理论的场方程的解广义相对论。俄罗斯数学家亚历山大·弗里德曼在年发现了一类重要的全局解1923.我们熟悉的宇宙图像是一个膨胀的气球，上面点缀着星系，这是一个“电影版”弗里德曼的解决方案。Robertson和Walker后来扩展了Friedmann的工作，所以你会发现“FRW文学作品中的“时空”。

FRW时空有各种各样的扩展、收缩、平坦、弯曲、开放、封闭、，……“膨胀气球”图片仅对应其中的几个。

一个称为度量的概念在广义相对论中起着举足轻重的作用。度量编码了很多信息；我们关心的部分（对于这个常见问题解答条目）是对象之间的距离。在FRW扩展中宇宙中，任何两个“气球上的点”之间的距离都会随着时间的推移而增加。但是FRW模型是不意在描述我们的在小尺度上精确地时空——其中“小”是解释得相当自由！

你可以用几种方式来描述这一点。你可能想考虑流体中的“连续体近似”动态-通过对单个分子在足够大的尺度上的运动求平均值，可以获得连续的流动。（即使气体膨胀，液滴也会冷凝。）同样，人们普遍认为，如果我们平均实际公制我们将得到一个FRW时空。

或者你可能想改变“膨胀气球”的图片。星系不仅仅是画上的，但它是气球的一部分（诗意地说），并在局部影响其“弹性”。

FRW时空忽略了这些小规模的变化。想象一个均匀弹性的气球被建模为点的星系。“气球上的点”对应于一个数学概念，即一共移动测地线任何两个共同运动的测地线都会随时间漂移，形成一个不断扩大的FRW时空。

在太阳系的尺度上，通过使用另一种解决方案，我们得到了相当好的时空度量近似值爱因斯坦方程，称为施瓦西度量。使用令人联想但令人怀疑的术语，我们可以说这个模型太阳的引力场。（令人怀疑，因为“引力场”在GR中意味着什么，如果它不仅仅是一个“metric”的同义词？）施瓦西度量中的测地线不显示“漂移”行为典型的FRW移动测地线，或者用更熟悉的术语来说，地球并没有偏离太阳。

顺便说一句，哈勃常数，不管它的名字是什么，在时间上并不是恒定的。它不均匀地变化方式。我们很可能会有两种相互竞争的影响。一方面，宇宙的整体质量趋于缓慢随时间的扩展。另一方面，任何神秘的暗能量可能会加速。事实上术语“暗能量”只是未来理论的一个占位符：它是一种谈论膨胀的方式目前被认为正在加速（从观察中得出的某种推断）。我们不明白为什么？这个扩张可能正在加速。虽然时间不是恒定的，小时是（在FRW模型中，有一些警告）在任何给定的时间，在空间上保持不变。

当然，宇宙的“真正尺度”是极其复杂的；你不能指望理想化的简单解决方案（如FRW和Schwarzschild指标）来捕获所有复杂性。

用牛顿的术语，我们说太阳系是“引力束缚的”（同样是我们的星系，甚至是星系）。所以太阳系没有扩张。布鲁克林的情况更清楚：它受到原子的约束力及其原子通常不遵循测地线。所以布鲁克林没有扩张。现在去做作业。

参考文献：

（我要感谢Jarle Brinchmann，他帮助了这份清单。）

米斯纳、索恩和惠勒，引力，第27章和第29章。第719页讨论了这一点问题；框注29.4概述了“宇宙距离阶梯”和测量宇宙距离的困难；方框29.5介绍了哈勃的工作。MTW指的是诺尔丁格和彼得罗森，阿联酋。J.、。，1681–9（1971），适用于膨胀宇宙中引力约束系统的精确数学处理。

M.V.贝里，宇宙学和引力原理第二章讨论宇宙距离梯子；第6章和第7章解释了FRW时空。

史蒂文·温伯格，前三分钟，第2章。非技术性治疗。

哈勃的原始论文：星系外星云距离与径向速度的关系,程序。国家。阿卡德。科学。151929年3月，第3期，168–173页。

西德尼·范登伯格，宇宙距离尺度，《1989年天文学和天体物理学评论》（1）111–139.

M.Rowan-Robinson，宇宙学距离阶梯弗里曼。

关于宇宙大尺度结构的已知（或相信）情况，可以参考两本书：

P.J.E.Peebles，物理宇宙学导论.
T.Padmanabhan，宇宙结构的形成.