本文深入探讨了宇宙膨胀如何改变我们对光、时间与距离的理解。核心观点在于，红移不仅仅是光波长的拉伸，它更是连接宇宙现在的温度、光传播的时间（回溯时间）以及天体实际距离的关键纽带。尽管在测量宇宙膨胀率（哈勃常数）上存在科学分歧，但现代宇宙学已经能够以极高的精度，通过光谱分析揭示遥远星系的演化历史和确切位置。
从本地到深空：规则变了
在我们的太阳系或银河系内部，测量距离和时间相对直观。光速是恒定的，因此距离和时间直接相关：
- 太阳光到达地球需要 500秒（距离1.5亿公里）。
- 来自银河系边缘的光需要 8万年（距离8万光年）。
在这些引力束缚的系统内，空间本身并没有膨胀，红移为零。然而，当我们看向 500万光年以外 的广阔宇宙时，情况变得复杂：空间本身在膨胀。
这种“空间的拉伸”会烙印在穿行其中的光波上，导致波长变长。这就是红移的本质。
红移：宇宙的拉伸度量
测量遥远天体时，我们首先获取的是红移（Redshift）。这是最容易测量的参数，它是所有其他计算的基础。
科学家通过光谱学来确定红移：
- 识别指纹： 各种元素（如氢、氦）在光谱中都有独特的吸收线或发射线。
- 对比位移： 将观测到的光谱线位置与实验室中的标准位置进行对比。
- 计算拉伸： 波长被拉伸的倍数就是红移值（z）。
公式很简单： 如果观测到的波长是发射波长的两倍，那么 $1+z = 2$，即红移 $z=1$。这意味着光在旅途中，宇宙的空间尺度扩大了一倍。
温度：时光倒流的温度计
确定了红移，推算宇宙当时的温度就变得非常直接。
宇宙大爆炸留下的余热（宇宙微波背景辐射）目前温度为 2.725 K。由于光波的拉伸与宇宙的膨胀成正比，过去的温度可以直接通过红移计算：
- 当时的温度 = 当前温度 × (1 + 红移值)
这意味着，只要知道一个天体的红移，我们就能精确知道光发出时宇宙有多“热”。观测证据完美支持了这一理论：宇宙过去确实比现在更热。
距离与时间：不再直观的几何题
在膨胀的宇宙中，“距离”和“时间”不再是简单的线性关系。这比计算地球上两点间的距离要复杂得多，因为在光传播的过程中，起点和终点之间的空间一直在变大。
当我们谈论遥远天体的“距离”时，通常指以下概念的区分：
- 光行时（Lookback Time）： 光在旅途中实际花费的时间。
- 当前距离（Proper Distance）： 如果我们现在能瞬间冻结时间并测量，该天体离我们有多远。
由于宇宙膨胀，物体现在的实际距离远大于光行进的距离。
要准确计算这些数值，我们需要了解宇宙的成分（暗物质、暗能量、普通物质的比例）以及宇宙膨胀的历史（哈勃常数）。
精确度与哈勃常数之争
目前科学界在哈勃常数（宇宙膨胀率）的测量上存在“张力”：
- 早期宇宙测量法 得出的数值约为 67 km/s/Mpc。
- 距离阶梯测量法 得出的数值约为 73 km/s/Mpc。
这听起来像是一个大问题，但对于计算宇宙年龄和遥远距离来说，影响惊人地小。
这是因为不同的模型会调整暗能量和暗物质的比例来适配数据。无论使用哪个数值，计算出的宇宙年龄都在 138亿年 左右，最大可观测距离的差异也仅在 4% 以内。
数据实证：从近邻到边缘
通过现代宇宙学模型，我们可以清晰地看到红移（z）、回溯时间（t）和当前距离（x）之间的非线性关系：
- z = 0.1 (近邻): 回溯 13.5 亿年，距离 14.2 亿光年。
- z = 1.0 (中远): 回溯 79.7 亿年，距离 111 亿光年。
- z = 14.4 (极远 - 如星系 MoM-z14):
- 回溯时间： 135.3 亿年（那是宇宙仅 2.82 亿岁的时候）。
- 当前距离： 338.4 亿光年。
- 当时温度： 约 42 K。
结论非常明确： 尽管宇宙学极其复杂，但现代观测技术已将不确定性降至极低。对于附近的物体，误差小于 1%；即使是观测到的最遥远天体，误差也勉强达到 2%。只要通过光谱学测定红移，我们就能精准地重建该天体在宇宙历史和空间结构中的确切坐标。