“这就是天文学家最终将直接测量宇宙膨胀的方法”

如果你想知道宇宙是由什么构成的，它的命运是什么，或者大爆炸发生了多久，只需要两条新闻。 根据物理宇宙学，需要测量的有:

今天的宇宙发展得有多快，以及

膨胀率如何随时间变化

这些新闻可以根据自己的喜好重构宇宙的构成、历史和进化。

迄今为止，围绕所有这些问题的争论很大。 因为不同的队伍用不同的方法得到了不同的答案。 但是，这些都有共同点。 所有的测量都依赖于明确宇宙如何随时间扩大的间接方法。 但是，随着新一代望远镜在年代出现，天文学家最终将获得直接测量膨胀率的能力。 这是背后不可思议的科学。

在扩大的宇宙中，来自遥远银河的光看起来与遥远的注意者所接收到的光不同。 在特定的时刻，恒星和银河发出的光有几个特征。 特别是光线的行为，就像多个不同黑体的总和一样，完全黑暗的物体被加热到一定温度时放射出的辐射是重叠的。

如果这是宇宙唯一能引起我们注意的光，那么很难测量宇宙是如何扩展的。 即使我们发现了测量到这些遥远物体距离的聪明方法，也无法准确测量膨胀宇宙的影响。 随着宇宙的膨胀，发出的光在从光源传递给注意者的过程中被拉伸，但是在不知道该光的固有特性的情况下，我们无法以任何合理的精度测量拉伸量。

幸运的是，我们的宇宙并不仅仅由在特定温度下辐射的恒星和银河组成。 由原子构成。 原子具有引人注目的特征。 也就是说，它只吸收或辐射具有特定波长的射线。 的原子固有的原子和分子跃迁对应的波长。

从所有物体中得到的光，从太阳到附近的恒星，再到最远的银河和恒星，都可以识别这些物体中原子吸收和释放的特征。 针对注意者的动作，以及光在传输过程中空之间的扩展，明确了两种效应光源组合，在远距离光传输给我们的时间内偏移的计量器。

距离测量和红移测量相结合，可以重构宇宙的扩展。 它是测量宇宙膨胀速度的首要方法之一，涵盖各种方法，测量到各种物体的距离。

我们整合来自所有对象的所有数据时，可以信任距离和红移。 我们对宇宙如何随时间扩大提出了非常严格的约束。 物质和射线随着宇宙的膨胀会以特定的方式稀释，但暗能量仍然无法与宇宙常数(具有一定的能量密度)区分，所以我们将所有的新闻组合起来，了解宇宙的构成，如何在今天迅速扩大，同时扩大速度如何在时间上

这是宇宙学的一大成就，尽管存在模糊性和争论，但它以前所未有的精度给我们提供了所有这些问题的答案。 但是，人们只能对这些间接的测量抱有如此大的信心。 在天文学中，我们看到的物体一般相距甚远，规模非常大，因此在人类的时间尺度上，我们无法实时测量其变化。

如果空之间的结构像面团，宇宙中所有的银河都像葡萄干，那么膨胀的宇宙就像发酵时的面团。 葡萄干(银河)似乎彼此远离，而更远的葡萄干(银河)似乎更早退缩。 但是，这个注意是根据布料(宇宙)膨胀的事实。 葡萄干(银河)实际上相对于其本地位置是静止的。 只是它们之间的布料(空之间)随着时间的经过而扩大。

因此，通过测量具有各种距离和红移的一系列对象的红移和距离，可以重建宇宙历史上的扩展。 在相对论的背景下，许多不同的数据集不仅相互一致，而且与扩展均匀填充的宇宙一致，这一事实对我们的宇宙模型充满了信心。

但是，就像ligo在直接测量引力波之前不需要接受引力波一样，在推算宇宙的性质时，可能在某些地方犯了错误。 我们只要能拍摄遥远的物体，测量其红色的移动和距离，然后确认其红色的移动和距离是如何变化的，我们就可以第一次测量该物体的膨胀宇宙，而不是间接测量。

由于我们对宇宙的最佳模型是138亿年的历史，因此不难看出，测量人类可测量的时间尺度上的巨大膨胀量是多么具有挑战性。 如果取最远的银河和恒星，我们可以测量的东西(数百亿光年之外的天体)，预计红移的部分时间变化相当于每秒1厘米/秒。

即使采用目前最强大的望远镜，红移也只能测量到约100~200cm/s的分辨率。 这意味着我们必须等待几个世纪注意这些遥远物体的方法的变化。 尽管发现了大量遥远的物体，但完全没有进行必要精度的天文测量的技术能力。

但是，从拥有10米级望远镜转移到拥有30米级望远镜的望远镜后，约:

分辨率的3倍到4倍，

约为聚光能力的10倍

补偿大气的自适应光学技术的进步

量子光学的新的快速发展可以让我们记录超稳定的光谱。

欧洲的超大型望远镜( elt )可能是第一个直接进行这种测量的人。 随着最近在多个红移中发现了多个新的超远程恒星的新发现(预计大型气象观测望远镜引入后，这种趋势将会增加)，elt应该能够直接检测到扩展。

elt应该能够在期待年代中期上线的同时，测量单个对象的红移，其精度比目前最好的设备提高了约10倍。 预计这一效果将在千万颗恒星中被发现并仔细测量。 这是因为，elt对红移的变化很敏感，红移的一部分适应了总宽度只有10厘米/秒的额外变化。

这表明与现有望远镜相比，增加了10~20倍。 也就是说，如果elt在全功率运转后只等了10年(或10年半)，应该就能直接测量宇宙的膨胀了。

我们进入2030年代中期时，要记住的重要用语是，红移是最早可靠这个检测的时间。 通过测量宇宙红移的随时间的变化(这是我们从未做过的事件)，我们可以测试一系列关于宇宙的宏伟事物。 这包括:

宇宙的膨胀是否遵循均匀填补由广义相对论控制的宇宙的理论宇宙学预测

暗能量真的是宇宙常数，还是强度随时间/距离而变化？

这些变化有利于更快( 73 km / s / mpc )还是更慢( 67 km / s / mpc )的扩张速度，

然后，根据来自这些遥远物体的磁通是否稳定在所需的精度( 10年间变化0.0001%以下)，检测磁通的漂移。

最晚在2040年之前，应该能直接确认宇宙的膨胀，把我们对宇宙的了解带到最终检查。

大众中普遍存在着关于科学的可怕神话:建立更大、更大、更强大的装置来探索宇宙前所未有的冒险。 如果采用更高的能量、更低的温度、更大的节流或其他科学极限，我们的搜索可能会白费。 我们会浪费很多时间、金钱和精力。 这些钱本来可以更好地消费。

事实是，如何突破发现能力的极限，是我们如何获得新知识，使我们能够开发未来的技术。 是否发现新事物是自然决定的。 我们对此无能为力。 我们能够控制的是，我们是否会投资于谁也没去过的地方，只学习人们推测的东西，扩大地球上可能发生的事件的边界。

这一个世纪以来，我们知道宇宙在扩大。 在20年的快速发展中，我们有直接的证据确切地知道它是如何发生的。