我们如何在膨胀的宇宙中定义距离

daomei

如果我们说一束从遥远星系来的光要花上100亿年时间到达地球（距地球100亿光年远），那我们就要去猜想一下，自100亿年前这束光开启他的地球之旅的同时，这个星系也在向更远处移动,所以当这束光抵达地球时，星系是不是已经移离地球更远了？

如果这种说法有可能是真的，那么离我们最遥远的星系，如果以接近光速的速度进行远移，现在与我们的距离几乎是他的光束开始地球之旅时的两倍（如果宇宙是140亿岁，那么这个星系就离我们有近乎280光年远）！

这个星系现在离地球的距离远大于100亿光年--如果我们是以一种特定的的含义来定义“距离”--这么说完全合理.不过，“距离”虽然在日常生活中（有）非常直观的意思，但在我们不断膨胀的宇宙中可没这么简单！天文学家们（当然还有别人）在讨论物体“距离”的时候，并不总是详细阐述他们提到“距离”的意思，这就引起了很多关于“距离”的困惑。如果你想知道更多的解释，接着读下去吧！

首先，宇宙的膨胀并不包括星系在静态空间的移动，而是宇宙空间自己的“拉伸”。光经过正在膨胀的空间需要穿越的距离，是初始距离加上旅行时因为宇宙膨胀而增加的距离。这就像在一个正在被拉伸的跑道上跑步——你出发的时候，跑道的长度是100米，等你跑完，这段跑道已经被拉长到了400米，那么你跑的总距离是大于初始距离100米的。

事实上，当你说起这段赛道从起点到终点的“距离”时，你可能指的是几种不同的意思：

（1）你或许说的是100米，因为这是你起跑时的跑道长度；这同时也是跑道标示的长度。

（2）你或许说的是400米，因为这是你到达终点时从起点到终点的长度。

（3）你或许说的是你实际跑过的距离，这段距离大于100米（因为跑道在你跑的时候拉长了），但小于400米（因为前段跑道的拉伸是在你已经跑过之后发生的）。

从上面的例子中可以看到，当天文学家们说起我们与一个遥远星系的“距离”时，可能包含很多种不同的意思！Ned Wright的宇宙学教程里有一个关于“天文学家使用的不同类型的距离”的全面的专业讨论（如果你跳过教程前面的部分直接读这一章节的话可能会有点难理解），这其中有一些“距离”和我们刚刚讨论的跑道很相似，也有一些完全不一样。与此同时，他也有回答一些关于类似我们的问题的。

正如你的问题所假定的那样，假设我们以某种方式知道“来自遥远星系的光线需要100亿年才能到达地球”，那么——如果我们用第三定义，我们就是说我们与这个星系的距离是100亿光年。然而如果我们用第一定义，我们就是说我们和这个星系的距离小于100亿光年，即在光射出的时刻距离小于100亿光年）；如果我们用第二定义，我们就是说我们和这个星系的距离大于100亿光年，即光被我们收到的时刻，星系与我们的距离大于100亿光年）。

发现了吗，说一个星系“离你100亿光年远”是一种模棱两可的表述！除非你明确指出你是用的是哪一种距离定义法，不然你就不能清楚地表述你的意思。并且，尽管第二定义可能与你对“距离”的直观感觉最为接近，但在天文学中并不总是最好的那个定义法！毕竟，这束光是我们了解这个遥远星系的唯一信息来源，我们可能需多考虑这个光经过的物理距离，而少考虑这个星系现在离我们有多远，因为现在距离星系有多远与我们在观察星系时所看到的情况无关。

不过，我们在这儿讨论的所有距离定义法都存在一定的实际问题。为了使用天文测量方法去实际测算我们与一个特定星系的任何一种距离，我们需要了解一些宇宙膨胀史（相当于跑道随着时间的推移是怎样拉伸的）。不同的宇宙膨胀模型让我们得到了很多到星系距离的不同结果，而且尽管最近的测算（特别是WMAP卫星的测算）让我们了解到了更多关于宇宙膨胀的事实，但我们仍然只是管中窥豹。

天文学家们用于测量我们与遥远星系距离的最最普遍的方法比我们讨论的距离定义要简单得多，但是测量起来更轻松！这种距离测算法被称为遥远星系的红移。天文学家利用了一个事实：当光线穿过膨胀的宇宙时，拉伸宇宙空间的那些因素也在拉伸着光线本身，导致光的波长增加，颜色发生变化并且光的谱线更加朝红端移动。 光的红移指的是它被拉伸的量，它基本上是在光线从遥远星系到我们这儿的旅程中宇宙膨胀了多少的量度。

天文学家们可以测算我们在地球上接受到的光的波长，然后他们通常就可以基于对光的生产中涉及的化学过程的专业知识测算出这个光在出发时是怎样的波长。这样他们可以轻松地测算几乎所有遥远物体的红移。

用我们刚才举的跑道的例子来看，跑道的长度拉伸到了原来的4倍（从100米到400米），那么天文学家们就会说这个跑道拉伸的红移是3（这里的红移确定为“比宇宙膨胀的倍数减一”也就是说如果没有膨胀发生的话红移为零）。如果你在那跑道上跑的时候，你的身体发生了和光一样的变化，等你到终点线的时候，你会发现你的身体是你起跑时的四倍大！

在我们的习惯中，红移并不是一个“传统”的距离测算方法。站在终点线上说起点线处于红移为3的状态并不能让我们知道这个跑道有多长，或者你刚刚跑了多远。尽管天文学家们一直在使用红移测算距离，但这个方法并不是读者们可以直观理解的。这可能也就是科学记者们几乎不会用红移来形容距离的原因。然而，这个概念是很有意义的——在一个膨胀的宇宙里，有着更大红移的物体离我们更远。所以如果我们测量到一个星系的红移为3，另一个星系的红移为3.5，我们可能没法知道坐宇宙飞船到其中一个星系要多久，但是至少我们可以知道到哪个星系会更快呀！

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本文选自：今日头条