宇宙是在運動的，它有它的生命。——〔法〕羅曼·羅蘭

每當說起宇宙，無不提及宇宙億萬年的成長和演化過程，而我們討論的話題也從最小到最大，從地球到宇宙，從宇宙的起源到它最終的命運。宇宙猶如生命一般，無時無刻不在變化。而且我們現在還知道宇宙正在加速膨脹，那麼問題又來了：宇宙加速膨脹是啥時候開始的？我們是如何知道的？

下面我們來說說宇宙，以及它膨脹的歷史。

廣義相對論掌控下的宇宙

其實我們對宇宙了解的時間不是很長，因為不到100年前，我們才知道宇宙中巨大的螺旋星雲並不是銀河系中形成的原始恆星，而是整個模糊的星雲本身，是距離我們足足有數百萬到數十億光年遠的獨立星星島嶼。然而，就在我們的視野走出銀河系不久後，我們很快意識到星系的位置和它離我們有多遠之間存在著一種令人驚訝的關係。

上圖就形象的描述了宇宙距離階梯這個概念：第一階梯通過視差法測量距離、第二階梯通過變星周光關係、第三階梯通過Ⅰa 型超新星爆發

在廣義相對論中關於宇宙有幾個確切的解（膨脹、靜止和收縮），但其中一個解恰好地描述了我們的宇宙：一個在最大尺度上均勻膨脹的宇宙。雖然我們的宇宙在幾千萬光年的尺度上不是均勻的，但是當我們考慮幾百億光年的尺度時，這種不均勻性的差異非常小，基本可以忽略不計，因此我們說宇宙是均勻和各向同性的。

那麼為什麼說宇宙在幾千萬光年的尺度上存在差異，而更大尺度上說宇宙是平滑的（均勻同性）？這個問題大家可以通過文章右上方的搜尋圖示了解下，下圖中的第一個就是我前幾天發表的問答。

這個解決方案我們也稱之為：弗裡德曼－勒梅特－羅伯遜－沃爾克度規，簡稱FRW度規。主要說的是宇宙大尺度上均勻各向同性，以及膨脹率由空間曲率決定，雖然當時沒有考慮暗能量，但這個解比其他任何方法都能更好地描述我們的宇宙。

FRW度規告訴我們，星系之間的空間，或者任何結構之間的空間，如果它們之間沒有引力聯絡，將會發生膨脹。如果我們想知道空間是如何膨脹的，也就是以什麼樣的速度膨脹，我們需要知道兩條資訊：

在我們宇宙歷史的任何時刻，膨脹率是多少在我們的宇宙中物質和能量的型別和比例是什麼。

如果我們能弄清楚這兩條資訊，我們不僅能弄清楚我們宇宙的命運，還能弄清楚宇宙自大爆炸以來的膨脹率是多少，現在是多少，將來會是多少？

第一個很簡單，我們有很多不同的方法來解決這個問題。通過測量宇宙中各種物體的距離以及它們遠離我們的速度，我們可以算出今天的膨脹率。儘管在20世紀90年代之前的很長一段時間內，這個速率一直存在爭議，但我們最終確定，宇宙膨脹率大約在67 km/s/Mpc左右（其中一個Mpc大約是3260,000光年），不確定度僅在2或3 km/s/Mpc左右。

第二個宇宙成分比例是我們從很多不同型別的觀測中得到的，包括從遙遠的天體，如超新星，宇宙微波背景，大尺度結構，特別是重子聲波振盪。

圖中CBM：微波背景，BAO：重子聲振盪，SNe:超新星資料

我們得出的結論是，我們的宇宙大致由以下能量組成：

以光子為形式的輻射大約佔了總質能的0.01%以正常（質子-中子-電子）物質的形式大約佔了總質能的4.9%，包括中微子在內的所有形式的暗物質加在一起約佔總質能的27%，中微子本身約佔總量的0.1%，其餘的是未知成分，剩下的68%左右以暗能量的形式存在，而且據我們觀察，暗能量與宇宙常數幾乎沒有區別。

據我們目前所知，這就是宇宙的組成。這裡又有一個問題，為什麼說暗能量與宇宙常數一樣？這還是個比較大的話題，大家可以在搜尋欄中搜索下有關於宇宙常數的問題。

當我們說宇宙加速膨脹的時候，並不意味著當前的膨脹速率（67公里/秒/Mpc）正在增長。而是說離我們任意遠的星系，每過1個Mpc星系遠離我們的速度就會增加67公里/秒，如果是10 Mpc，對應的膨脹速度是670千米/秒。

10 Mpc這是一個特定距離的星系遠離我們的速度。隨著宇宙繼續膨脹，密度會越來越小，因此能量密度也在下降。因為膨脹速率依賴於能量密度，所以膨脹率也會持續下降。但是由於宇宙在這段時間裡一直在膨脹，所以我們所觀測的星系還是會離我們越來越遠。

想想這意味著什麼：未來的膨脹率會更小，但單個物體會離我們更遠。如果我們想算出一個物體在時間上遠離我們的表觀速度，我們需要把膨脹率和物體的距離增加的速度相乘，所以問題是什麼哪個變化得更快：膨脹率下降的百分比？還是物體離我們的距離增加的百分比？

宇宙膨脹過程中各種能量密度的變化

這取決於宇宙總能量密度中物質和輻射的佔比是多少，物質和輻射的能量密度都會隨宇宙的膨脹而稀釋，但宇宙常數的佔比不同，不會變化！讓我們來看看物質、輻射和暗能量（宇宙常數）是如何隨時間變化的。

現在，我們的宇宙由暗能量主導，所以膨脹率下降的速度比距離增加的速度要慢：當膨脹率再下降10%的時候，星系離我們的距離大約會增加兩倍，這意味著物體在加速。但是在過去，宇宙的暗能量要少得多（按百分比計算），而物質要多得多。如果我們追溯到足夠早期的宇宙，輻射密度會超過了暗能量和物質！在物質和輻射的主宰的宇宙中，膨脹率下降得更快，宇宙處在減速時期。在宇宙138億年的歷史中，暗能量掌控宇宙的時間並不太長，一直遠離我們的星系才開始加速！

總結：宇宙加速膨脹開始在暗能量掌控宇宙的時期

從數學上講，宇宙從最初幾十億年的減速，到最近幾十億年的加速，這一轉變發生在暗能量密度達到總能量密度一半的時候。現在，暗能量是物質密度的兩倍多，在暗能量掌控宇宙的時候，當時宇宙的大小是現在的62%。宇宙學家只要用一點數學再加上天體物理學的一點幫助，就能計算出宇宙在被暗能量掌控時的年齡，那時宇宙大約有78億年的歷史，或者說大約60億年以前，也就是太陽系形成之前的15億年。

如果我們將整個宇宙的歷史濃縮成一個年，那麼宇宙將在7月27日開始加速。

暗能量控制宇宙的時期對物質密度、暗能量密度和膨脹率等引數的微小變化極為敏感；如果這些數字變化哪怕是2- 3%，減速結束和加速開始的時間可能會變化多達10億年甚至20億年！

但我們就生活在一個這樣的宇宙，一個大約60億年前就開始加速的宇宙！