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光给了我们感知宇宙的力量,但也蒙蔽了宇宙的真相

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科学发现号 2021-01-20 16:45

人们每天跟随太阳的轨迹,日出而作,日落而息,发挥自己的聪明才智建设了如此辉煌的人类科技文化。

纵观历史,人类从未如此深刻地改变着自己生存的环境。但是,即便以如此高的技术水平,相对于宇宙来说,我们仍然是渺小的,这种渺小体现最明显的地方就是对宇宙的认知。

众所周知,人类观测宇宙的方法一直以来都是通过光学,也就是研究远方星系发出的光线(包括微波、X射线、可见光等各种波段),近年来,科学家又发展出了中微子和引力波等新的观测方法,但它们均不能超光速传播。

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所以,可以认为,人类观测宇宙的所有媒介(光、中微子、引力波等)均以光速或低于光速传播。

但是,宇宙又恰恰如此浩渺,以至于在宇宙中,测量距离的基本单位竟是光年,就是光走一年的距离,要知道光的速度为299792458 m/s,大约30万km/s,也就是每秒30万千米,它走一年距离是多远呢?是大约九万四千六百亿公里!

看上面的图,这是地球,光从地球一侧直线传播到另一侧,大约需要0.04秒,看起来还是很快的。

但是,视线扩大到太阳系,光的速度就开始显得慢了,从太阳传播到地球需要8.3分钟,从柯伊伯带轨道的一侧传播到另一侧,也就是说光线横穿太阳系需要10小时。

我们继续扩大视野,光线穿越银河系大约需要10万年,穿越可观测宇宙大约930亿年。

也就是说,我们看月亮,那是1.3秒以前的月亮;我们看到的太阳,那是8分钟前的太阳,根据相对论,甚至它的引力都是8分钟前的引力;我们观测银河系另一端的恒星,我们看到的是10万年前的恒星;我们观测可观测宇宙边缘的星系,那是138亿年前的星系(为什么不是460亿年?因为宇宙在膨胀,138亿年前发出光线的星系已经被宇宙膨胀到距我们460亿光年的地方了。)

可观测宇宙

知识链接:可观测宇宙是一个以观测者作为中心的球体空间,小得足以让观测者观测到该范围内的物体,也就是说物体发出的光有足够时间到达观测者。目前普遍认为,宇宙年龄大约138亿年,但由于宇宙的膨胀,可观测宇宙的半径并不是固定的138亿光年,现在推测可观测宇宙半径约为460亿光年,直径约为930亿光年。根据宇宙学原理 ,从任何方向到可观测宇宙边缘的距离大致是相等的。

也就是说,我们认为我们观测了宇宙,但我们实际观测到的东西都是过去的,甚至包括你我,要知道,你见到1500米以外的东西,同样是5微秒之前的存在。即使现在,我们距离不过一米,可我见到的也是3纳秒以前的你,光线给了我们感知宇宙的力量,但也蒙蔽了宇宙的真相。如果我们继续思考,将同样令人震惊!

思考一:我们无法确切知道宇宙此时到底是什么状态。因为光线的延迟,我们观测到的所有东西都是过去的,所以到底宇宙此时是个什么状态,我们无法确切知道,也就是说,如果此时太阳发生了爆炸,我们要在8分钟后才能知道,如果此时宇宙边缘发生了收缩,我们可能要等百亿年才能知道。

宇宙大爆炸理论

思考二:以当前宇宙观测建立的宇宙学能不能真正反映宇宙的本质?由前面的讨论我们知道,当前的宇宙观测其实都是研究过去的宇宙,那么这些数据也许能够推测当前的宇宙状态,但能不能真正反映此刻的宇宙状态尚不得而知。

思考三:哈勃定律是否考虑了光线传播延迟的问题?1929年,哈勃通过观测星系红移,发现河外星系视向退行速度v与距离d成正比,即距离越远,视向速度越大,这也被称为哈勃定律。根据哈勃定律,距离我们越远的地方,星系退行速度越快。而这也是大爆炸理论的重要证据。但是如果我们反过来想,越远的地方,星系红移越大,远离我们越快,但它们也越古老,越近的地方,星系红移较小,远离我们相对较慢,而它们也更接近此刻的状态,既然越远的地方我们观测到的宇宙越古老,那是不是可以认为,越古老的宇宙膨胀速度越快,越接近现代的宇宙膨胀速度越慢?宇宙难道在逐渐停止膨胀?

思考四:外星智慧生命是否已经存在,而我们无法得知?既然,我们的观测结果反映不了此刻的宇宙状态,那么是否有可能宇宙此时已经存在外星人了,只是因为光线的蒙蔽而彼此无法发现对方,要知道银河系两侧光线传播还需要10万年,更不用说其他星系,这又是否可以解释“费米悖论”。

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