新浪科技综合@近大远小？在宇宙中，远处的天体看起来反而更大！新浪科技综合2020-07-09 10:53:130阅( 二 )
图5/13远处的星系被放大的原理图（图片来源：作者自绘）假设星系两端各有一个光子朝地球飞来 。 前来的过程中 ， 两个光子的空间也会随着宇宙的膨胀而膨胀 。 也就是说 ， 光子一边汇聚到我们这里 ， 一边也在相互远离 。 所以走的不是直线 ， 而是曲线 ， 我们反推回去的星系形状 ， 实际是星系被放大的虚像 。 当天体离我们比较近的时候这个效应不明显；只有距离相当远 ， 宇宙膨胀才起作用 。 堪称是宇宙版“让子弹飞一会儿” 。
如果不满足于这样泛泛的定性回答 ， 这里还有个定量的解释 。
借由大量天文观测的结果 ， 我们总结出了很受用的宇宙学原理 ， 这一原理只有短短的一行字：宇宙是均匀且各向同性的 。 也就是说 ， 在宇宙上的任意一点 ， 以及从这一点的任何方向看过去 ， 看到的景象都是一样的 。 也即是说 ， 宇宙没有中心 ， 从任何天体上都将观测到完全相同的宇宙演化图景 。 当然 ， 这幅宇宙图景并不是放在地球尺度上用的 ， 真正适用的是宇观尺度 ， 比拟超星系团大小的尺度 。
再结合爱因斯坦的相对论 ， 我们得到这样一个宇宙时空的度规 ， 宇宙的透视原理 ， 就藏在了里面 。
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图6/13描述我们宇宙时空的FLRW度规推导太复杂 ， 有兴趣的小伙伴可以自己尝试推导或是参与评论区讨论 。 看到一两个公式就头大的小伙伴们只需要记住 ， 利用FLRW度规推导的天体视角与红移的关系 ， 最后一行的θ就是我们看到的视角（在大院后台回复“宇宙透视” ， 获取θ相关公式推导过程） 。 感兴趣的小伙伴可以戳这里：宇宙在膨胀 ， 人们是怎么发现的？
谁改变了宇宙的透视效果？
既然我们已经发现了这一违背近小远大的规律 ， 那么 ， 有没有什么是影响宇宙透视效果的因素呢？那我们还得聊一聊宇宙的组分 。
我们接触的世界虽然看似物质种类纷杂 ， 但基本都可归类为重子 ， 也就是我们俗话说的普通物质 。 如果把宇宙比喻成一块披萨饼 ， 这类的普通物质却只占宇宙的5%左右 ， 另外的25%是暗物质 ， 这30%可以统称为物质项 ， 因为它们都会参与引力作用相互吸引 ， 来抑制宇宙的膨胀 。 剩下的70%是我们至今尚且捉摸不透的暗能量 ， 我们只知道它是推动宇宙膨胀的幕后黑手 ， 具体的细节 ， 还是一个未知数 。 还有一类特殊的组分 ， 它们便是宇宙中的信使——光子 ， 虽然它们在星系形成之前尚且功勋卓著 ， 而演化到如今这一宇宙时仿佛成了一个破落户 ， 只占了千分之一不到的一块小角 ， 权且充当这块大饼的调味剂了 。 下面的讨论我们不妨忽略掉它 。
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图7/13宇宙大饼（图片来源：中科院国家天文台陈学雷 制）所以这么一综合 ， 影响透视的只有两大因素了 ， 一个是物质项 ， 一个是暗能量项 。 继续拿M31星系为参考物 ， 让我们再度重温一下当下宇宙的透视图：
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图8/13我们这个宇宙下的透视效果 ， 红移越大 ， 说明离我们越远（图片来源：作者自绘）会不会是暗能量在作怪 ， 让我们自以为的透视原理失效了呢？那我们不妨做一个极端一点儿的假设 。 假设我们的宇宙全是由暗能量组成的 ， 不掺一点儿杂质 ， 那设想的星系不断远离的场景会是什么样的呢？
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图9/13假设宇宙由完全的暗能量组成 ， 这个宇宙下的透视原则（蓝色线）（图片来源：作者自绘）可以看到 ， 我们期盼的远小近大的宇宙又回来了 ， 暗能量似乎不是颠倒我们认知观点的因素 。 为了确保无误 ， 我们稍稍增加物质项的比例、减少暗能量的比例来试试：
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图10/13暗能量逐渐从100%逐渐减少到70% ， 物质组分逐渐增加30%（我们的宇宙）下的透视变化情况（图片来源：作者自绘）可以发现 ， 随着物质比例的增加 ， 奇怪的宇宙透视又回来了 。 似乎可以断定是物质的作用了 。 那好 ， 接下来我们不妨再做一个极端的尝试 ， 假设我们的宇宙物质比例占100 % ， 又会是什么样的情景呢？
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图11/13如果我们的宇宙100 %由物质组成 ， 宇宙对远处星体的“放大效应”还要显著更多（图片来源：作者自绘）可以看到 ， 100 %物质组成的宇宙 ， 对常规透视原理的颠覆又多了不少 。 综合来看 ， 反倒是我们不太敢怀疑的物质给我们带来了宇宙放大效应 。 而看似玄妙的暗能量反倒是我们固步自封的透视原理的守卫着了 。 至于像文章开头深水王子那样的例子 ， 完完全全的远大近小的宇宙则是不存在的 。
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图12/13最后综合一下不同物质组分和暗能量组分下的宇宙透视效果（图片来源：作者自绘）恰恰只有当宇宙以完全的暗能量存在时 ， 远小近大的透视现象才始终不会失效 。 不过 ， 宇宙若全是暗能量组成 ， 又怎么会有我们人类的出现呢？这颇有些鱼和熊掌不可兼得的意思 。 最后 ， 让我们装模做样地总结个歪道理吧：
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