在宇宙尺度上，我們必須引入相對論的時空觀重新審視天體之間的距離。在相對論裡，不同參考系中的觀察者看同一個時鐘，所看到的時間讀數是不同的。為解決這個問題，需要引入固有時（proper time，也稱原時）概念，它是指與觀測物件處於同一位置的時鐘所能測得的唯一時間。在討論相關問題時統一取固有，就不會再為參考系而煩惱如何表述時間了。

將這個概念引入宇宙學，我們就把相對於宇宙靜止的觀察者測得的時間稱為宇宙時。宇宙中兩個宇宙時處於同一時刻的天體之間的距離，就稱為固有距離（proper distance）。由於宇宙在不斷膨脹，所以固有距離隨著時間推移會逐漸變大。在廣為人知的哈勃-勒梅特定律中，星系遠離我們的速度與其距離成正比，這個距離就是固有距離。

我們常說的距離是光行距離（light travel distance），即光傳播的時間乘以光速。假設我們接收到50億年前一個天體發出的光子，那麼該天體和我們之間的光行距離就是50億光年。然而，事情並不那麼簡單。在光子飛行的過程中，宇宙空間同時也在膨脹，這個天體和我們的固有距離隨時間推移而不斷增大。最後光子飛行50億年到達現在的地球時，經過的距離可就不止光行距離所描述的50億光年了。為了避免這種膨脹效應造成的距離變化所產生的混亂，宇宙學上引入共動距離（comoving distance）的概念。

共動距離等於當下時刻的固有距離，它是不變的；而固有距離卻是隨之時間流逝由小變大的。過去的固有距離小於共動距離，未來的固有距離將會大於共動距離。共動距離的好處就在於，我們可以用它來衡量遙遠的天體發出的光子被我們接收到之前到底走過多遠，既不像光行距離那樣無法描述宇宙膨脹效應帶來的影響，也不像固有距離那樣是一個隨時間變化的值。以光行距離在50億光年外的天體為例，它的光子於50億年前發射向我們後，在漫長的飛行過程中宇宙繼續膨脹，天體和地球之間的固有距離不斷變大，計算可知光子在被拉長的宇宙中實際上穿梭了60億光年左右，這就是它的共動距離，也就是其現在的固有距離。而138億年前宇宙大爆炸後，能觀察到的最早的光子（微波背景輻射）經過的共動距離則達到了460光年左右，這也是可觀測宇宙的半徑大小。

宇宙學中的紅移和對應的距離

封面圖：源自網路。

新媒體編輯/小帆帆