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宇宙学还可以这么学之基础篇第6回 精选

已有 4302 次阅读 2015-7-2 15:14 |个人分类:宇宙学还可以这么学之基础篇|系统分类:科普集锦| 相对论, 爱因斯坦, 引力, 宇宙学常数, 宇宙学还可以这么学

【星际穿越与宇宙学】

张小雨:“师兄,最近怎么老不见你呢?科学网也不上了?”

司马弦:“被老师抓着干活呢。呵呵,做科研就是这样,一旦忙起来其他也就顾不上了。你呢?最近课上得怎么样了?”

张小雨:“还行,至少没怎么落下,还‘偷偷’看了《星际穿越》呢,嘿嘿。不过好多内容没看明白。师兄你看过这个电影吗?”

司马弦:“这么经典的电影怎么会落下呢。情节设计得很有意思,不愧是诺兰导演的,又有大牌物理学家索恩做科学顾问,不可谓不好看。”

张小雨:“师兄,你说真的有虫洞存在,并且可以让我们进行时间旅行吗?”

司马弦:“嗯,这个问题嘛,说实话真的不知道。尽管我们可以找到虫洞的数学解,但是我们从来没有在宇宙中看到过。不过,充满科学幻想的电影嘛,还是值得一看,至少你可以在电影中领略到宇宙的深邃与神秘。”

张小雨:“那,在我们的宇宙学课程中,会不会讲这些内容呢?”

司马弦:“虽然黑洞,虫洞等等有趣的话题不会在宇宙学中提及,但是在这门科学中却有着自己独特、有趣的问题。”

张小雨:“哦?都有些什么呢?”

司马弦:“比如,宇宙的起源是什么?宇宙有多大年纪了?宇宙中存在着均匀的辐射是怎么来的?我们身体中的元素又来自何方?宇宙在膨胀还是收缩?宇宙最终将会怎样?……”

张小雨:“好像蛮有意思的,我都想知道,哈哈,是不是有点太贪心?”

【可观测宇宙】

司马弦:“小雨,你知道宇宙的外面是什么吗?”

张小雨:“宇宙的外面?外宇宙?哈哈,不…知道。”

司马弦:“不知道就对了,谁都不可能知道。事实上,我问的这个问题是需要先解释一下的。首先,如果说宇宙就定义成所有的时空,那么我问的这个问题就是没有意义的。你想啊,有什么‘东西’可以脱离时空而存在呢,换句话说,本身就不存在宇宙的外面。但是,如果我所指的宇宙仅仅是可观测宇宙,这个问题当然是有意义的。”

张小雨:“这么复杂?那什么是可观测宇宙呢?”

司马弦:“其实,在英文中,用universe代表所有的时空,而用Universe(首字母大写)代表可观测宇宙。所谓的可观测宇宙,简单得说,就是我们可以看到的宇宙。”司马弦接着说道,“假如宇宙的年龄是137亿年,那么我们所能观测到的宇宙大概是400多亿光年。”

张小雨:“不对啊,师兄,既然宇宙年龄是137亿年,那么可以看到的宇宙应该是137亿光年呀,距离=光速x时间,不对吗?”

司马弦:“这其实是一个误会,原因很简单,我们的宇宙是在膨胀,而不是静止的。另外,你要知道,我们所能看到的最早的光是从宇宙微波背景辐射形成的时候(设为t1),因为之前的宇宙是不透明的,光子被自由电子关在‘屋子’里呢。”司马弦接着解释道,“我们来画一条线,并假定光从s1点发出,它和我们观测者(设为o1)的距离是137亿光年,那么它自然要经过137亿年才能到达我们这里。但是,在光传播的过程中,因为宇宙的膨胀,s1点离开最初那个位置,在不断远去,经过137亿年到达新的位置s2。同理,我们所在的o1点也到达了新的位置o2。简单起见,我们假定宇宙是以光速均匀膨胀的,那么s2与o2之间的距离大概是3x137=411亿光年。”

张小雨:“哦,原来是这么计算的。可是,相对论说物体的运动速度是不可以超过光速的,宇宙的膨胀为什么就能超过光速呢?”

司马弦:“还记得我们讲过的哈勃定律吗?

$\frac{v}{c}=Hd$

看,星系退行的速度和距离成正比。当距离d超过1/H的时候,速度v>c。相对论说的是时空中的任何物体的运动速度不能超过光速,但并没有限制时空本身的速度。还有,在距离超过1/H的星系上,比如d1=2/H,发出的光(或者发生的事件),与我们现在的观测者是没有因果关系的,因为光信号传播的速度比星系退行的速度(v=2c)还要小。但是你要知道,H可不是一个常数哦,它会随着时间的推移变小,比如H减小到现在的1/3,那么此时处于位置d1的星系,它的退行速度为v=2c/3,它所发出的光自然可以被我们所看到。”

张小雨:“那我们不是可以看到原来越多的星系了吗?”

司马弦:“非常正确。简单回答刚才提出的问题吧:当前的可观测宇宙之外,是未来的可观测宇宙。”

【宇宙视界】

张小雨一边听,一边把司马弦刚才说的话记录下来。趁着这个空档,司马弦端着杯子走出办公室,一步一摇,慢慢走向咖啡机。看来昨晚又熬夜了……

司马弦:“刚才说到哪了?”不知道什么时候,司马弦又回到了办公室,“喝了杯咖啡,顿时觉得神清气爽,哈哈,我可不是做咖啡广告哦。”

张小雨:“师兄你也是蛮拼的,这样下去身体怎么吃得消呢?”

司马弦:“没事,咱小伙子,通个宵不算什么,关键是算着算着,就觉得非常兴奋,想停也停不下来。所以嘛,反正睡不着,索性就……”

张小雨:“师兄你刚才说的1/H这个量,是不是又叫哈勃视界?”

司马弦:“对。在宇宙学中,我们还会学到好几个视界,其中比较重要的是粒子视界和事件视界。”

张小雨:“听上去好陌生。”

司马弦:“其实,说白了,产生视界的原因很简单:光速是有限的。从t=0时刻发出的光,在时刻t的时候,所能走过的距离就是ct,如果观测者所处的位置超过了这个距离,那么他是观测不到这个光的,我们把这个距离定义为粒子视界。另外,在某个时刻t所发出的光,经过无穷大时间,所经过的距离,还是小于观测者所处的位置,那么他也是看不到这个光信号的,这个距离就定义为事件视界。它们的数学定义分别是:

<公式:粒子视界>

$d_{ph} = a(t)\int_0^t \frac{dt'}{a(t')}$

<公式:事件视界>

$d_{eh} = a(t)\int_t^\infty \frac{dt'}{a(t')}$

张小雨:“粒子视界还比较好理解,事件视界好像不太明白,怎么会经过无穷时间,光还是不能到达观测者呢?”

司马弦:“你提了一个很好的问题,事件视界的确是不一定存在的,最起码上面这个积分你得收敛吧,如果是发散的,就等价于没有视界。”司马弦接着解释道,“这个事件视界有点类似于黑洞的视界(当然,它们不完全相同),如果一个宇航员经过了黑洞的视界,掉入黑洞,另外一个遥远的观测者是无法看到这一幕的,他只能看到宇航员永远停留在黑洞的视界附近。再比如说,我正在加速远离你(比如2倍声速),那么你对我所说的话,我是怎么也听不到了,除非我停下来。原因很简单对吧,因为你的声音跑的太慢了。”

张小雨:“现在明白了许多,多谢师兄!”

司马弦:“当然,宇宙学中还有其他的视界,有时候这些视界也会重合在一起。在视界上,人们还可以建立宇宙热力学,呵呵,慢慢学吧,有意思的东西还有很多。”

张小雨:“嗯,我会的。不过师兄你有空就教教我哦,还要多上上科学网,嘻嘻。”

司马弦:“呵呵,好的,只要不是太忙,一定会来的。”

(未完待续……,预告,下次会告诉大家怎么计算宇宙的年龄。)

【题外话】

博主最近实在有些忙,但是一有空就会坚持更新博客。另外,希望大家可以留言,告诉我想了解些什么,内容可以不局限于宇宙学,比如上一回的【广义相对论vs牛顿万有引力】就是起源于科学网网友lrx的提问。尽管博主知识有限,但也愿尽自己所能为大家解答。



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