封面 ｜ 紅移和藍移概念圖

當一個物體靠近發(fā)光的光速時，它發(fā)出的光會隨著觀察者的位置而發(fā)生偏移。

左邊的人會看到光源遠離它，因此光線會發(fā)生紅移; 而右邊的人會看到它發(fā)生藍移，或者當光源向它移動時，它會轉(zhuǎn)移到更高的頻率。

大家好，我是科學羊。

我們所觀察到的宇宙，無論我們從哪個方向看，幾乎呈現(xiàn)出一致性。

從我們所能測量的各類宇宙特征來看——星系的數(shù)量、類型、星系內(nèi)部恒星的數(shù)量、正常物質(zhì)和暗物質(zhì)的密度，甚至溫度輻射——都表現(xiàn)出無論觀察方向如何變化，宇宙在大尺度上幾乎是完全相同的。

實際上，在數(shù)十億光年的尺度上，任何兩個區(qū)域之間的差異最多只有0.003%，大約相當于三萬分之一的差距。

然而，真正的差異并非來自于我們看向的方向，而是來自我們觀察的距離。

距離越遠，我們就能看到宇宙的過去。

由于宇宙膨脹的作用，遠處天體發(fā)出的光波會被拉伸，波長變長，向紅色移動，且物體的離開速度也越來越快。

這使得我們很容易聯(lián)想到宇宙的“中心”。

如果我們從各個方向觀察，并重建“宇宙是否在某個點上存在中心”，就可能會得出一種結論：宇宙似乎圍繞某個“中心”膨脹。

但如果我們深入思考這個問題，宇宙的“中心”并不意味著物理上的中心。

正如我們最好的科學理解所表明，宇宙的膨脹并不是從某個具體的“爆炸點”向外擴展的，而是空間本身在擴張。

無論我們朝哪個方向看，宇宙的膨脹都是一致的，且沒有特定的觀察點可以標示為“宇宙的中心”。

每當一個星系發(fā)出光，接收它的觀察者最終看到的光將會有一系列不同的性質(zhì)和波長｜距離星系越遠，觀測到的紅移就越大，觀測到的時間膨脹也就越多，因為觀測者接收到的信號也會隨著時間“拉長”。(圖片來源: Larry McNish/RASC Calgary Centre)

當物體接近光速時，發(fā)出的光會受到觀察者位置的影響，出現(xiàn)偏移。

我們通?？梢灾庇^地理解，當物體向我們移動時，波長會縮短（藍移），而當物體遠離我們時，波長會拉長（紅移）。

這種波動被稱為“多普勒效應”，其表現(xiàn)不僅僅局限于聲音，光波也會受到相似的影響。波長變長意味著光的能量降低，波長變短則表示光的能量增高。

對于宇宙中的任何物體而言，由于物質(zhì)的特性——原子和離子會吸收和發(fā)射特定波長的光——我們能夠通過測量光譜的偏移來確定這些物體的運動情況。

例如，通過紅移或藍移的觀測，科學家們第一次發(fā)現(xiàn)了宇宙膨脹的跡象。

韋斯托·斯利弗（Vesto Slipher）在1910年代的研究表明，星系的光譜特征顯示出系統(tǒng)性的紅移或藍移，暗示著這些星系正在遠離或向我們靠近。這一發(fā)現(xiàn)為宇宙膨脹的理論奠定了基礎。

當光從一個源發(fā)出時，它有一個特定的波長。在被觀察者吸收之前，它必須在不斷膨脹的宇宙中穿行的時間越長，與發(fā)射時的波長相比，這種光的紅移量或者拉伸到更長的值的波長就越大。(圖片來源: Ben Gibson/Big Think)

隨著我們進一步觀測更遠的天體，我們發(fā)現(xiàn)它們的紅移越來越顯著。

星系越遠，它們發(fā)出的光越“紅”，而且紅移的程度與它們的距離成正比。

這個現(xiàn)象到底是由于物體在空間中的實際運動，還是宇宙本身的膨脹導致的光的波長變化呢？

這是一個復雜的問題。在愛因斯坦的廣義相對論中，空間并非是一個靜態(tài)的背景，而是隨著時間和其中的物質(zhì)能量不斷演化的動態(tài)結構。這種結構的變化對光波的傳播產(chǎn)生深遠的影響。

光波的拉伸不僅僅是因為物體之間的相對運動，更是由于宇宙空間本身的膨脹。

根據(jù)廣義相對論，宇宙中的每個點都不是靜止的。任何均勻分布的物質(zhì)和能量都會導致宇宙膨脹或收縮。

當空間膨脹時，光波的波長會隨之拉長。這意味著，當我們從一個遙遠星系接收到光時，這光已經(jīng)在膨脹的宇宙中旅行了很長時間，波長因此被拉伸，表現(xiàn)為紅移。

然而，光的波長變化不僅僅是由物體相對運動造成的。宇宙的膨脹本身也在影響光波的性質(zhì)。當光從一個星系發(fā)出時，它的波長會隨宇宙膨脹而不斷延伸，直到它到達我們的眼睛。

通過觀察這些紅移，我們可以了解宇宙的膨脹歷史及其現(xiàn)狀。

盡管宇宙微波背景輻射在各個方向上都是相同的粗略溫度(2.7255 k) ，但在特定的方向卻存在著800分之一的偏差(3.36毫克/升溫或降溫) ，這與我們在宇宙中的運動是一致的。

隨著我們進一步的觀測，我們發(fā)現(xiàn)宇宙的膨脹不僅僅是物體的運動，而是空間本身的變化。雖然宇宙膨脹的原因仍然是一個復雜的問題，但我們可以確定，宇宙確實在膨脹，且這種膨脹影響了所有物體的運動。

通過對許多遠處天體的觀測，科學家們總結出宇宙膨脹的普遍規(guī)律，并建立了一個基于廣義相對論的膨脹模型。

然而，雖然我們可以觀測到宇宙的膨脹，但問題依然存在：宇宙的“中心”在哪里？這個問題實際上并沒有明確的答案。

在宇宙的最大尺度上，宇宙似乎是均勻的，我們無法從中區(qū)分出某個特殊的中心。

就像面包發(fā)酵時，葡萄干之間的距離逐漸變遠一樣，宇宙中的星系也隨著空間的膨脹而相互遠離。

每個觀察者都認為自己處在宇宙的中心，但實際上，無論你身處宇宙的哪個地方，都能得出相同的結論：你看到了一個膨脹中的宇宙。

附近星系和星系團的運動(如其速度流動的“線條”所示)與附近的質(zhì)量場

總的來說，宇宙的膨脹沒有固定的中心，每個觀察者的視角都與他們所在的地方緊密相關。

我們所能觀測到的宇宙只是整個宇宙的一部分，而關于宇宙的形狀、大小和結構，我們?nèi)匀粵]有明確的答案。

無論如何，我們可以確定的是，宇宙在不斷膨脹，光的波長隨著膨脹被拉長，遠處的物體看起來像是在遠離我們。

這個發(fā)現(xiàn)不僅改變了我們對宇宙的理解，也為我們探索宇宙的未來提供了無限的可能性。

好，今天就先這樣啦～

科學羊??  2024/12/23

祝幸福~ 

參考資料：

[1]. Based on the book written by Ethan Siegel

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