3D母乳 _随着宇宙膨胀,我们看到的星星都是它们年轻时的模样

几十亿年前发出的光怎么可能今天仍然到达我们这里?宇宙大爆炸后130亿年后的物体,怎么会在几十万年后才出现呢?

为了回答这个问题,我们构建了一个类似于宇宙的东西。

首先,想象有一张纸,这张纸可以被拉伸和压缩, 然后在纸上画一个网格,这样就得到了一张可伸缩的方格纸。


随着宇宙膨胀,我们看到的星星都是它们年轻时的模样


现在我们假设这张纸就是今天的宇宙,我们再在这张纸上绘制一些星系。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,也可以使用标尺来给出它们的距离。(网格上的坐标就是所谓的共动坐标,因为网格将随着纸张一起扩展,而标尺将给出物理距离,因为标尺不会扩展。)

因为宇宙是在膨胀的,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,但是物理距离发生了改变。


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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,物体之间便越来越近。如果我们一直这样做,纸张会缩小到一个点。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,但网格也变成了一个点。换句话说,网格上的点与点是重叠的,这样的时空是奇异的。此时,网格上的每个点都具有大爆炸的能力,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格开始,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中是无限的,所以这个无限的奇点是我们在理解宇宙大爆炸时必要的概念。现在我们已经有了大爆炸的设定了,所以我们可以让时间流逝来进一步解决这个问题了。


随着宇宙膨胀,我们看到的星星都是它们年轻时的模样


假设我们可以在网格上的每个点上都放置一个时钟,我们将时钟的初始时间都设置为宇宙大爆炸的那个时刻。也就是说,宇宙大爆炸时,时钟时间为0。记得我们的纸张随着时间膨胀的设定吗?这里,我们让时间流逝一点,以便表示我们的纸可以膨胀到某种非奇异状态,然后我们暂停膨胀,来观察一些细节。

假设一只在纸上行走的蚂蚁是光子(一束光)。我们从纸上选择一个图形来代表我们,其它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厘米远的蚂蚁可在1秒钟抵达我们的图形,那么20厘米外的蚂蚁在2秒后到达,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3秒的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)需要一些时间才能到达我们这里。


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我们知道初始宇宙很小,小到几乎是一个奇点,如果是这样的话(我们看到的景物延迟),那么我们怎么看到数十亿光年之外的光呢。

这个问题的答案在于理解宇宙的第一个"把戏"。在大爆炸之后不久,这张纸就以令人难以置信的速度增长(这种快速扩张就是我们所谓的通货膨胀)。 在不到一秒的时间里,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。

在大爆炸最初之时,圆的大小是0。在膨胀之前的时间里,这个圆很小,但不为0。 现在,由于通货膨胀迅速地扩大了空间扩,在通货膨胀之前的圆圈中的网格点,在膨胀之后则被移动到圆圈之外,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。因此,在通货膨胀之前我们可以看到的一些东西被推出圆圈之外。


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现在,我们再把目光转回那只距离我们30厘米的蚂蚁。当快速地将纸张扩10倍时,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是在30秒之外,便不会在我们现在半径为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,因为光是不断发出的,所以这个星系发出的光将会持续一段时间,看起来就像是它被冻结在三秒时的状态,直到膨胀后的光正常地到达我们这里)。

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(我之所以说可能,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)。 每当一个物体第一次进入我们的视野,我们就能看到它最早的光,所以这个物体看起来比它实际上要年轻很多,只是由于在光束抵达我们视野范围的过程中花费了时间。即使这个物体本身实际上和我们所在的空间区域的年龄相同。


随着宇宙膨胀,我们看到的星星都是它们年轻时的模样


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,我们几乎可以瞬间建立起距离我们几十亿光年的物体。

此外值得一提的是,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,那时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,膨胀都会干涉我们,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。


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现在我们来想象一个后膨胀宇宙,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秒结束时蚂蚁在距离我们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。


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所以问题的关键在于:

宇宙大爆炸发生在太空中的所有地方,所以与之相关的遗迹,比如宇宙微波背景辐射,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,宇宙中已经存在着我们可以看到的所有距离的物体。 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,所以这些光直到今天才到达我们这里。

那些从很远的地方开始发出光的东西永远不会被我们看到,因为膨胀阻止光子到达我们。

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