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我們仰望星空,看到的都是過去的景象。也就是說我們看得越遠就是在回望宇宙的過去,例如,我們看到的月亮就是1.28秒之前的景象,太陽就是8.19分鐘之前的太陽,獵戶座左肩上的參宿四就是640年前的樣子,為什麼會這樣呢?這一切都是假的嗎?此時此刻宇宙的景象我們無法得知,那會不會影響我們對宇宙的研究?這一切都是因為真空的光速是有限的,並且宇宙太過浩瀚,先說一些光速。
真空中的光速是每秒299,792公裡,理論上沒有什麼能比光速更快。如果你能以光速旅行,就能在一秒鐘內繞地球7.5圈。
光速的歷史
早期的科學家無法感知光的運動,因為光速太快了,所以會認為光是瞬間傳播。人們所知的關於光速的第一次論述來自古希臘哲學家亞里斯多德,他與另一位希臘科學家恩培多克勒斯(Empedocles)就光速發表了不同的意見。恩培多克勒斯認為,因為光會移動,所以旅行必須花時間。亞里斯多德則認為光是瞬間傳播的,他不同意光旅行的觀點。
1667年,義大利天文學家伽利略(GalileoGalilei)在相距不到2公裡的山上首次測量了光速,大致就是在兩個山頂站兩個人,每人拿著一盞燈籠。一個人先打開燈籠,當第二個看到光時,他也打開了自己的燈籠。通過觀察光在這之間傳播的時間,伽利略認為自己可以計算出光速。但不幸的是,光速太快了根本都看不出傳播時間,所以他只能猜測光的傳播速度至少是聲音的10倍。
16世紀70年代,丹麥天文學家奧爾·羅默(Ole Romer)第一次真正的測量了光的速度,當他觀察木星的衛星艾奧(Io)的運動時,發現在幾個月的時間裡,艾奧(Io)從木星陰影裡出現的時間比預計的要晚,在另外幾個月裡,又比預測的要早,這是因為地球在軌道上的運動造成的,也就是地球到木星的距離在改變,於是羅默確定光從Io到地球需要時間。當木星和地球相距最遠時,日食出現會晚一點,而當相距較近時,日食會提前出現。這給了羅默令人信服的證據,表明光在太空中以一定的速度傳播。」
他的結論是,光從太陽到地球需要10到11分鐘,這是一個過高的估計。他的計算速度為每秒20萬公裡。
1728年,英國物理學家詹姆斯·布拉德利根據地球繞太陽公轉引起的恆星表面位置的變化進行了計算。他認為光速為每秒301,000公裡,將光速精確度在1%左右。出生於普魯士、在美國長大的阿爾伯特·麥可遜(AlbertMichelson)在1879年測量的光速為每秒299,910公裡,這被認為是40年來最精確的光速測量。
現在我們知道了光速是有限的,它在空間傳播中要花費時間,但宇宙並不是恆定不變的,而是變化,甚至變化的速度會超過光速,這就造成了宇宙中有些發光物體的光已經達到地球,有些至今都沒有達到地球,到達地球的光中,有些其實已經與我們失去了因果關係。
現在再來說下宇宙的大小,
以及我們現在看到的景象會不會影響我們對宇宙的研究?
美國著名天文學家愛德文·哈勃通過對遙遠星系的距離以及光線紅移的測量,發現了宇宙在膨脹,根據這個重大的發現,我們反推出了宇宙起源於大爆炸。
在大爆炸之後,空間一直在膨脹,但呈減速膨脹狀態,在宇宙誕生後38萬年的時候,由於空間的冷卻,中性原子得以形成,這時宇宙中殘餘的光子得以自由傳播,不再受到帶電粒子的散射,這些光子經過大約138億年的旅程目前已經達到地球,這是我們接收到宇宙中最早的光,我們稱之為微波背景輻射。
但這時的宇宙並沒有形成恆星、星系,而是一片溫度偏高的中性氣體雲,宇宙還需繼續膨脹冷卻,隨著萬有引力的作用,氣體雲中密度稍高的地方物質開始聚集,等達到一定的密度閾值,坍縮的氣體雲中心點燃核聚變,第一批恆星誕生,這大約發生在宇宙誕生後5000萬到1億年間。
但這時空間已經在這個時間短內膨脹到了非常大的範圍,且一直在膨脹,也就是說恆星、星系形成以後,光開始向地球傳播的同時,這些發光的物體也同時在遠離我們,離我們比較近的恆星、星系光會首先達到地球,那些離我們比較遠的恆星、星系則需要更多的時間到達地球。
但此時恆星、星系遠離的速度一直在減慢,就算它一開始膨脹得很快,但總有一點速度會降下來,因為這時的宇宙是由物質控制的,萬有引力在對抗宇宙的膨脹,如果一直這樣持續下去,宇宙膨脹速度減緩,那些遙遠的星系的光總會有時間達到地球的,未來我們在地球上將看到更多的恆星、星系。
但是在1998年,我們通過對遙遠超新星數據的觀察,通過距離和紅移數據得出宇宙在加速膨脹,這說明現在的宇宙有一種未知的力量在撕扯著空間,這就是我們所說的暗能量。
宇宙的加速膨脹大約發生在45億年左右,也就是太陽系形成的時期,根據我們最好的測量發現,暗能量掌控宇宙以後的宇宙膨脹率為68(km/s)/Mpc,也就是空間上每增加300萬光年的距離(或者每過300萬年),星系遠離地球的速度增大68千米每秒。按照這個膨脹率,目前136億光年外的星系已經在超光速遠離我們了。
這就是說,那些在暗能量掌控宇宙以後,光線還沒有來得及達到地球的星系,它們的光將永遠不會達到地球,因為它們與地球之間的空間正在超光速膨脹,那些在暗能量掌控宇宙之前光線已經到達地球的所有星系,雖然這些星系中最遠的已經膨脹到了可觀測宇宙半徑的附近,但它們在歷史上發出的光將能持續到達地球被我們看到。只是它們現在發出的光我們將永遠不會看到。
那些現在在136億光年內的星系,它們遠離地球的速度沒有超過光速,因此現在發出的光是可以到達地球,但那也是數十億年之後的事情了,我們現在看到的它們只是它們剛誕生時候的樣子,隨著時間的推移,我們將持續看到它們的變化。
因此,我們雖然看不到宇宙中發光物體現在的模樣,但我們可以看到它們的過去,隨著時間的推移,它們歷史上發出的光將持續到達地球,等某一天它們突然消失了,有可能是已經消亡了,也有可能是因為空間的膨脹,它們的光再也達到不了地球了。這些都是真實發生的事件,並不是假象,而且由於光速的有限和宇宙的浩瀚,我們才得以研究宇宙的歷史,如果光速時瞬時的,我們看到宇宙的樣子都是今天的樣子,那我們如何去研究宇宙的起源?!