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我们的观测极限是多少？宇宙的边缘究竟与我们有多远？为何会有这么大的差距？这背后包含了简单的物理知识。
据估计，我们的宇宙寿命为137.7亿年。我们能够观测到的最远的物体与我们的距离大约略小于134亿光年。然而，理论可观测的宇宙边缘与我们之间的所谓的“正确”距离被估计到了465亿光年。宇宙是怎么能够比根据能观测到的最远物体所推测出的范围实际大这么多呢？
这里就提出一个有关消逝的火车和它的汽笛的类比，以此作为较全面的实验分析来回答上面的问题。
图片来源：”A New Way to Measure the Age of the Milky Way”,2019,来自universetoday.
设想当我们到达火车站时，火车已经驶离车站。5分钟之后，我们听到了火车发出的汽笛声。这时，火车距离我们多远呢？很明显，我们可以通过推算（见下文）来判断火车发出汽笛声时行驶到了哪里(距离一)。然而，由于声音传到我们的耳中需要时间，当我们听到汽笛声时，火车已经行驶了一段距离。所以，在听到汽笛声时，火车在轨道上行驶实际距离会更远（距离二）。在这里，距离一就好比134亿光年的距离，而距离二就相当于465亿光年的距离。
下面通过一些数字计算来进一步阐明火车类比理论。
图片来源：”Doppler effect experiment,1845”，来自sciencephoto.
先假设之前已经测量过了火车静止并与我们较近时其汽笛所发出的声音强度。同时，我们也已经测量过了此时汽笛声的音调（声波的振动频率）。
利用以上的信息我们就可以结合声压对数距离定理来推测火车到底离我们有多远。声压对数距离定理指的是当声压每降低6分贝时，声源和听者之间的距离就增加一倍。
【例如：假设火车距离我们100米时，其汽笛声的声强为100分贝（已经非常响了）。当火车开始移动，并且在10秒之后拉响汽笛，这时我们测量到的汽笛声声强为94分贝（降低了6分贝）。利用声压对数距离定理，此时火车与我们的距离就为200米】
所以，当距离非常远的火车拉响了汽笛声时，我们测量到的声强为70分贝，那么，由于此时声强比距离100米时降低了30分贝（5×6分贝），我们就能估计当火车拉响汽笛时，它与我们的距离是3200米。（由于100米×25=3200米）
与此同时，我们也能够觉察到汽笛声的音调有所下降，也就是声音的频率降低了。这意味着这列火车并不是静止不动的，而是离我们越来越远。这是由于多普勒效应延展了声波频率。通过测量声音频率变化后的大小，并与火车静止时汽笛声的频率相比较，我们就能计算出火车的运行速度。
现在让我们假设火车汽笛声的音调得到了足够的伸展（降低），因此通过计算可以知道火车正在以240km/h的速度行驶。
所以这时，加上之前的假设，可以知道火车与我们的距离为3200米，并且拉响汽笛时，它的行驶速度为240km/h。
这个数据就好比我们观测到的宇宙半径为134亿光年：好像是与我们距离最远134亿光年的星系发出了光芒。
但由于声波需要通过一定的时间才能够被我们接收，我们还需要知道的是当我们最终听到汽笛声时，火车到底在哪里（它的正确距离）。
众所周知，声音在空气中传播速度为340m/s（1224km/h），所以将3200m除以340m/s为9.4s后，可以知道该情况下汽笛声花了9.4秒传播到我们所在位置。
而火车正在以240km/h，也就是66.6m/s的速度行驶。9.4×66.6m/s等于620米，粗略为0.6km。
所以，当我们听到火车的汽笛声时，火车已经在轨道上比发出汽笛声时多行驶了0.6km。将0.6km加上6.4km即为7km。这就是当我们听到汽笛声时，火车的真实位置，距离火车站7km。
这样的实际距离比单纯的对汽笛声声强变化进行分析得到的“感知”距离6.4km要更远。
现在，我们可以在消逝的火车和膨胀的宇宙之间做一个更为细致的类比。火车类比为不断膨胀的宇宙，而汽笛声类比为宇宙中“标准烛光”星发出的光。“标准烛光”星的光强现在是精确可知的，并且通过它表面的亮度（或相关的），我们可以推测星系的距离。声音的速度则类比为光速。同时，汽笛声频率的降低可以类比为当星系离我们越来越远时的多普勒红移。
在这个类比中，最大的宇宙学区别在于，我们的火车在一个统一的空间移动，而在星系这一世界中，它们所在的空间自身也在不断扩张，并带动着星系一起移动。
图片来源：”Age of the Universe”,2015,来自meaningfullife.
更进一步的思考…..
有趣的是，这里火车的“正确”距离只是单纯“感知”距离的110%左右（7km vs 6.4km）。这是由于火车240km/h的行驶速度只是声速1224km/h的很小一部分，所以当汽笛声到达车站时，火车并没有在轨道上行驶很远的距离。相比之下，宇宙理论可被观测到的实际半径预计为465亿光年，然而我们能觉察到的半径只有133.3亿光年。在宇宙这一情况下，实际距离是可被观测距离的3.5倍。为什么两者会有110%到350%这么大的差距呢？
为了能更好的回答这个问题，让我们将火车的行驶速度提升到800km/h（比火车能够行驶的速度快很多），并且将声音的速度降低到89.5m/s（比实际声速要慢很多）。然后，我们再将这些假设的数字代入计算中。
这时，我们可以测量到火车在行驶中的汽笛声声强为57.7分贝，利用这个数据可以计算出当火车拉响汽笛时，与我们之间的距离为133.3km。（由于100-57.7=42.3，42.3=6db×7.05，100×27.05=13334m） 这个距离比先前假设的火车要远得多。
与此同时，汽笛声经过149s的传播才到达车站（因为13334m÷89.5/s=149s）。这也比实际火车汽笛声传播的时间要长得多，因为此时距离更远并且声速更小。根据行驶中火车汽笛声较低的频率（和静止时汽笛声的频率相比）可以得出行驶时的速度为800km/h（222m/s）。在拉响汽笛后的149s中，火车又在轨道上多前进了33.16km（149×222=33160m）。这个距离（33.16km）大约就是“感知”距离的2.5倍。
将13.33km与33.16km相加就能得到46.5km。这也是当我们最终听到汽笛声时，火车最终的“正确”位置。
这两个（13.3与465）就与我们先前谈论到的可观测的宇宙半径为133.3亿光年和实际半径465亿光年相称了。第一个数字，133.3亿光年，就是我们当前在宇宙中所能观测到的最远的物体（当最远的星系“吹响了光的号角”时），而465亿光年是当我们感知到133.3亿光年前的物体发出光时，现在这个物体大约距我们的实际距离。
（又由于89.5m/s即为322.2km/h。）
将这两个设想的实验数据，不切实际的800km/h的火车速度和322.2km/h的声速，相比较。我们将他们相除可以得到2.49的比率。这就意味着火车的行驶速度是声速的2.5倍。然而，现实中的火车速度是声速的五分之一。
将我们设想的火车实验结论移到宇宙本身的现象上来，可以揭示出当前存在的所能观测到的宇宙边缘正以几乎2.5倍的光速快速扩张。在“本地空间”，没有什么的速度能比光速更大了。然而，对于宇宙空间，却没有什么能阻止其自身扩张得比光速更快。我们所处宇宙的扩张速度平均下来就是光速的2.5倍。
需要注意的是，在火车类比中，为了简单起见，火车的速度是恒定不变的。然而我们能够确定的是，宇宙的边缘肯定随着它的存在期限以不同的速度扩张着（比如处于膨胀阶段），但是在138亿年这么长的时间中，这些速度平均下来就是2.5倍光速。
图片来源：”Farthest Galaxy Ever Seen Viewed By Hubble Telescope”,2016,来universetoday.
总结以上的分析：其实我们并不能看到最远物体的实际位置。我们只是观测到了当它们发出光时所处的位置，大约是134.4亿年之前。由于这些物体的红移，我们可以得知在它们周围快速扩张的宇宙与我们的相对速度，进而可以推测（具有一定的可信度）他们现在到底在哪里，也就是大约距离地球465亿光年的位置。
参考资料
1.WJ百科全书
2.天文学名词
3.Illidan-Walter Murch
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原文地址：今日头条 |
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发表于 2020-3-1 21:57:47
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