来自130亿年前的光,为何总与地球擦肩而过?

放大字体  缩小字体 发布日期:2019-11-30  来源:来自互联网  作者:来自互联网  浏览次数:483
导读

假设我们可以在网格上的每个点上都放置一个时钟,我们将始终的初始时间都设置为宇宙大爆炸那个时刻也就是说,宇宙大爆炸时时钟时间为0。还需要注意的是,因为光是不断发射的,也就是说来自这个星系的光将会继续,就像是…

为了回答这个问题,我们构建了一个类比宇宙的东西。

首先,想想有一张可以拉伸和压缩,然后在纸上画一个网格,这样就得到了一张可拉伸的方格纸。

我们假设这张纸就是现在的宇宙,再在这些方格上绘制一些星系。这样一来,它们的坐标就可以通过网格上的位置被读出,同时,也可以使用标尺来指定它们的距离。(网格上的坐标将是所谓的连接坐标,因为网格将随纸张一起扩展,而标尺将给出物理距离,因为标尺不会扩展。)

因为宇宙是逐渐扩张的,我们也应该随着时间的推移拉伸这张纸。 当这张纸被拉伸时,坐标之间的间距也会变大,所以虽然星系在网格上的位置不变,它们也确实会进一步分开。 换句话说,坐标是固定的,但物理是那个确实会发生分离。

反之,当时光倒流时,这张纸也就会被压缩。

在这个过程中,由于每个网格都被缩小,物体便看起来越来越近。如果我们一直这样做,由于纸张越来越小,于是从纸张外来看,纵使我们知道在纸上面有一个可以用来定位的网格,网格也变成了一个点。换句话说,网格上的点与点使重叠的,这样的时空时奇异的。此时,网格上的每个点具有大爆炸的能力,也就是说每个点都是奇点。我们还可以把这个过程放到一张无限大的纸上。

我们从一张无限大的纸上的网个开始,如前文所述令其收缩,直到网格上的所有的点再次重叠,这样我们就拥有了一个无限的奇点。我们相信宇宙是无限的,这也意味着在它在形成的过程种是无限的,所以这个无限的奇点在理解宇宙大爆炸是我们需要有的概念。现在我们可以来进一步解决这个问题了。

假设我们可以在网格上的每个点上都放置一个时钟,我们将始终的初始时间都设置为宇宙大爆炸那个时刻也就是说,宇宙大爆炸时时钟时间为0。记得我们的纸张随时间扩展的假设吗?这里,我们让时间流逝一段一点,以便表示我们的纸可以扩展到某种非奇异状态,然后我们暂停扩展,来观察一些细节。

我们选择纸上的一个图形来代表我们,其他的图形都有一只代表光子的蚂蚁在时间= 0时开始向我们走来。假设每只蚂蚁每秒可以移动10厘米。如果纸张没有膨胀,距离我们10厘米远处的蚂蚁可在1秒钟抵达我们的图形,以此类推,只有在三秒钟之后我们可以知道有一个距离我们30厘米远的星系,因为来自那个星系的第一只蚂蚁需要很长时间才能到达我们这里。

此时到达的蚂蚁告诉我们3秒前当它出发时的星系是如何开始的。尽管蚂蚁在t=3时会告诉我们关于t=0时的星系,但现在它来自的那个星系的时间也已经是t=3,因为所有的时钟都在同步运行。因此,宇宙的每一部分都有着相同的年龄,只是因为蚂蚁在来到我们这里的路上耽误了时间,才使得我们看到的不是与我们同龄的东西。也就是说,我们可以看到不同年龄段的事物,仅仅是因为蚂蚁(光)需要一段时间才能到达我们这里。

我们知道初始宇宙很小,小到几乎是一个奇点,那么我们怎么看到来自几百万光年之外的光呢。

这个问题的答案在于理解宇宙的第一个"诀窍"。 在大爆炸之后不久,这张纸就以令人难以置信的速度增长。 在几分之一秒的时间里,宇宙就膨胀到了和今天相当的大小。 因此,从一个小点,我们几乎立即得到了一整张纸。 现在作为一个生活在这张纸上的有机体,我们会看到我们周围的东西围成一个圆圈,圆圈的大小取决于光线到达我们的最大距离,就像上文中我们讨论的蚂蚁一样。 这个圆的大小是 c * t,其中 c 是光速,t 是大爆炸后的时间。

在膨胀之前,圆的大小有些小,但不为零,而在大爆炸的那个时刻,圆的大小是零。 现在,由于膨胀空间扩张得很快,在膨胀膨胀之前在圆圈中的网格点,在膨胀之后则移动到圆圈之外,也就是说,圆圈只以 c * t 的速度增长,但膨胀使物体之间的空间增长得更快。 所以在膨胀之前我们可以看到的一些东西,此刻却被推到了视线之外。

现在,我们再把目光转回那只距离我们30厘米的蚂蚁. 当快速的将纸张扩10倍,那个距离我们30厘米远的星系现在便处于300厘米之外了,因此在膨胀之后蚂蚁的起点就将时在30秒之外,也就不在我们现在半径为30厘米(3秒)的视野中了。事实上,在膨胀的时候周围并没有星系或是星星,但是为了我们的蚂蚁讨论,我们假设它是存在的。还需要注意的是,因为光是不断发射的,也就是说来自这个星系的光将会继续,就像是他在三秒时被冰冻住,而在膨胀后光才能正常抵达我们这里)

在膨胀结束后,这个圈还会继续扩大,并最终可能会收回一些东西(我说可能是因为仍然有一个较慢的扩张发生,对于足够遥远的物体来说,这将导致一个整体的快速衰退)。 所以进入我们视野的物体看起来将比他们实际年轻得多,只是由于在光束抵达我们视野范围的过程中花费了时间。一个看起来初生的星系很可能与我们所在的空间区域的年龄相同。

讨论膨胀的意义在于:

膨胀把物体放置在了离我们很远的地方,因此随着我们视野的扩大,我们不断地看到新的东西。事实上,在膨胀的过程中,快速的膨胀使物体远离的速度大于了光速,这并没有违反物理规律,而是因为物体在时空中并没有真正的运动。也就是说,纸上的图形其实根本没有移动,只是因为我们在两个图形之间的时空中插入了更多的空间,才使得最终的距离变得越远。 因此,我们几乎可以立即建立起距离我们几十亿光年的物体。

此外,如果宇宙是有限的,那么必然存在某个时刻,我们的光圈需要停止添加新的东西,那是它就包含了整个宇宙。 然而,人们认为宇宙可能是无限的,所以随着时间的推移,我们将看得越来越远。无论在哪种情况下,膨胀都会使我们实际上看不到任何新的东西,因为一旦我们看到一定的距离,就不会有光再抵达我们这里,因为它将不断地被膨胀拖回来。

现在我们来想象一下后膨胀宇宙,蚂蚁(光)以每秒10厘米的速度移动,而每存在10厘米的空间,空间就以每秒1厘米的速度扩张(即空间每秒扩张10%)。为了简单起见,假设每秒钟第一束光移动,然后我们实施扩张。 也就是说,如果一只蚂蚁从一个20厘米开外的星系开始移动。 在第一秒蚂蚁移动10厘米时(距离我们10厘米),就满足10厘米需扩大1厘米的条件,所以1秒结束时蚂蚁在11厘米远的地方。

在下一秒,蚂蚁再次移动10厘米,然后左边的1厘米再次膨胀10%,所以2秒后,蚂蚁离开了1.1厘米。 下一秒钟的某个时间,它就抵达了。 因此,由于膨胀,蚁到达的时间将比预期的要晚,而其行走的距离也随之扩大。 现在,无法看到新事物的原因已经很清楚了,我们可以想象从110厘米远的地方开开始,一只蚂蚁会在一秒钟内移动10厘米(距离我们100厘米),但是100厘米的距离又将会随着膨胀扩大10厘米,所以在第二秒结束的时候,蚂蚁距离我们110厘米了,从某种意义上看来,它没有向我们移动。

所以问题的关键在于:

宇宙大爆炸发生在太空的所有地方,所以与之相关的遗迹就像宇宙微波背景辐射一样,从太空的所有地方发射出来,并且可以从各个方向看到。

宇宙被认为是无限的,所以随着时间的推移,我们可以看得越来越远。由于宇宙的大小的无限性与膨胀现象,宇宙中已经有所有距离的物体可以被我们看到。 这些物体很久以前发出的光反映了它们最早的状态,因为它们距离很远,路途因膨胀而延长,所以光只有今天才到达我们这里。

而从太远的地方开始发出光线的的物体将因为膨胀永远不会被我们看到。

参考资料

1.Wikipedia百科全书

2.天文学名词

3. astro-Istvan Laszl-鱼汤

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