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    为什么说光会随着宇宙的膨胀而被拉伸?

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    • 天体物理学
    • Lv.0量子泡沫

      我们都知道光的波长和空间膨胀之间的关系。也听说过随着空间的膨胀,辐射的波长会被拉长,光损失能量!我们也经常能看到一些形象的类比,例如:画在气球上的波浪,随着气球的膨胀波就会被拉长。但是我们会想,光为什么不能继续,保持它的频率和波长,不管它周围的空间是膨胀还是收缩?也就是说空间的膨胀为何会拉长光波!

      我们就来解答下这个问题!

      没有被力束缚住的一切,都会被空间拉伸。

      为什么说光会随着宇宙的膨胀而被拉伸?

      我们可以观测到的宇宙始于大爆炸,这句话已经是描述宇宙最基本的设定了!而宇宙在过去就表现的更热、更密集、更紧凑、膨胀得更快。然而今天的宇宙仍然在膨胀,没有引力束缚的一切在未来都将无限的膨胀下去。我们可以简单的想象一下:今天的宇宙可以当作一个有限体积的球体,所有的物质和能量都包裹在里面。如果我们回溯到过去,同样数量的粒子会被封闭在一个更小的球体中。

      为什么说光会随着宇宙的膨胀而被拉伸?

      现在你应该知道,我们处在一个由广义相对论控制的宇宙,在这个宇宙中,空间和时间是相对于任何观察者的能量、动量和位置而言的。

      假设你的寿命很长啊,无限长,你从现在开始观察一个本星系群外的一个星系,这一看就是数十亿年,你从来没有间断过,你会发现什么?

      为什么说光会随着宇宙的膨胀而被拉伸?

      你会看到这个星系的位置发生了很大的变化!就像上图中葡萄干在发酵的面包中一样改变了位置。但是请注意,葡糖干它自己并不会膨胀,膨胀的是周围的空间,所以它们之间的距离增加了。类似的像行星,恒星,星系,甚至星系群和星系团这样的结构本身也不会随着宇宙膨胀,因为它们已经被引力束缚住了!膨胀的只是那些没有被各种力束缚住的物体!

      换句话说,你的腰围可能在扩大,但你不能把这归咎于宇宙膨胀!因为你已经被电磁力束缚住了,宇宙膨胀是左右不了你的!

      还有另外的说法是,暗能量无限的增加,在未来可能会撕裂原子,这就是题外话了,目前来看暗能量就是个常数!

      那么是什么导致了空间膨胀的发生?

      这一切的罪魁祸首,就是时空本身的性质。宇宙的演化过程中,任何参照系中观察者距离的扩大或缩小是由宇宙中物质和能量的密度决定的。这是广义相对论应用于宇宙学给我们的关键启示:宇宙中存在的所有形式的物质和能量决定了空间和时间的演化。

      在已知宇宙的整个历史中,时空一直按照这个规律发展,而且据我们所知,这种情况会一直持续到遥远的未来。

      为什么说光会随着宇宙的膨胀而被拉伸?

      使光发生红移的现象

      空间膨胀

      我们还是先看下面这张图,一个膨胀的气球表面,想象一下你在气球上画了网格线。由于光子(光)的能量是由其波长决定的,因此,当宇宙膨胀(或者,从理论上说收缩)时,波长会随着膨胀的宇宙而拉伸(或者在收缩的宇宙中被压缩),从而导致它发生红移(或者相应的蓝移)。

      为什么说光会随着宇宙的膨胀而被拉伸?

      虽然宇宙可能在膨胀,但这并不是唯一能引起红移的原因。我们如何才能确定是膨胀的影响在起作用呢?

      光源移动

      你应该听说过多普勒效应,这就是为什么当警车/救护车的警笛向你靠近时,音调会逐渐升高,而当车远离你时,音调会降低的原因。这一点在我们生活中随处可见,也可以随时验证。

      为什么说光会随着宇宙的膨胀而被拉伸?

      就像声波的波峰在运动方向上被压缩,相反与运动方向上被拉伸一样,光波也以同样的方式运动!如果一个光源远离你,这个光就会出现红移,而如果这个光源靠近你,这个光就会出现蓝移。

      为什么说光会随着宇宙的膨胀而被拉伸?

      引力的作用

      根据广义相对论,引力也会影响光子的能量。(时空和物质/能量有着错综复杂的联系)!关于由于质量的存在,空间是如何弯曲的,我们可以参考下图:

      为什么说光会随着宇宙的膨胀而被拉伸?

      当我们向太空发送信号并返回地球时,比如我们常说的GPS,我们不仅需要考虑运动相对论效应,也就是狭义相对论,还需要考虑地球的引力场的影响!

      想象一下,如果有一个电子和一个正电子,一对物质/反物质粒子,如果让它们发生湮灭,这个过程中就会以光子的形式释放能量,而释放出光子的能量相当于两个粒子的静止质量!

      为什么说光会随着宇宙的膨胀而被拉伸?

      现在,如果我把两个这样的正反粒子扔到离地球很高的地方,把它们发生湮灭,然后让光子落到地球表面,会发生什么?光子在落下时的能量和在地球表面发生湮灭时的能量一样吗?

      你这是很不确信引力会对光子会产生影响吗,而且还觉得这是不是违反能量守恒定律了。那么我们就想想如果让正反粒子从地球高处掉到地球表面,然后在发生湮灭,会发生什么?

      显而易见,粒子在向下移动到地球表面时,会获得动能。在地球表面发生湮灭时,动能和静止质量都会转化为光子的能量。

      为什么说光会随着宇宙的膨胀而被拉伸?

      所以不管粒子是湮灭,然后坠落,还是坠落然后湮灭,通过能量的守恒定律,空间的引力场都会影响光子的能量!

      现在我们知道了光线的红移在光源移动下和引力场中都可以发生。现在,看下我们在不断膨胀的宇宙中发现的星系光谱。

      宇宙的膨胀在星光的红移中发挥了巨大的作用

      为什么说光会随着宇宙的膨胀而被拉伸?

      上面图片可以清晰的看到,星系的光谱向红端移动!那么这种红移是因为空间在拉伸吗?,或者这种红移是因为发出辐射的星系(光源)只是正在远离我们吗?这里就不说星系引力红移了,因为引力红移根本无法解释不同距离星光红移的变化。

      这个概念的奇妙之处在于,到底是空间在膨胀还是星系(物质)在远离我们!如果是后者,因为所有的物质就有一个宇宙速度极限(光速),那么在很远的距离看到的星系应该有一个不同于广义相对论(GR)预测的红移和距离的关系!

      前(GR)预测用黑色表示;非GR预测,红移与空间膨胀无关(仅由光速乘以回望时间来定义),用红色表示。

      为什么说光会随着宇宙的膨胀而被拉伸?

      这是一个重要的宇宙测试,因为如果光的波长不随着宇宙的膨胀而拉伸,只是密度会被稀释,那么宇宙微波背景的温度肯定比现在的要高,因此大爆炸就是错误的!

      幸运的是,广义相对论的预测通过了这个测试,而且频率/波长确实随着宇宙的膨胀而变化,这是通过多种方式直接测量到的结果,包括测量宇宙历史上不同时期的温度。

      这就是为什么,在一个由广义相对论控制的宇宙中,光必须随着宇宙的膨胀或收缩,或者随着空间的引力性质的普遍进化而发生红移或蓝移。

      作者:量子科学论

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    • Lv.9紫外波长
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      居里夫人

      配图有问题啊(有些图片不能复制粘贴,需要重新上传,你可以再修改编辑一下)

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      Lv.9紫外波长
      牛顿
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      Lv.0量子泡沫

      图片已经正常了

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