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随着宇宙膨胀，我们看到的星星都是它们年轻时的模样

故事 06-11 来源：天文在线

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。