近大遠小?在宇宙中,遠處的天體看起來反而更大!

北京新浪網 07-09 10:34

來源:科學大院

還記得《三體·死神永生》里的針眼畫師嗎?

凡是他見過的人,都可以準確無誤地畫下來。但有一人是特例,畫師也只能鎩羽而歸,他便是深水王子。

故事里的深水王子,遠看像一座巨峰,再近些看則變成一個巨人大小,真正接近他時,看到的身高卻比普通人還矮半截。失敗的針眼畫師辯解道:「世界上所有的景物,在我們的視野中都是近大遠小,這就是透視原理。我是西洋畫派的畫師,西洋畫派遵循透視原理,所以我不可能畫出(近小遠大)的他。」

小說畢竟是小說,對居住在地球上的我們而言,深水王子那般的遠大近小隻能是反常,而近大遠小才是真理。可是如果放眼宇宙,類似深水王子這樣的特例真的不成立嗎?

遠小近大,深入人心的透視原理

很多初學繪畫的人,經常會聽到透視這一概念。在評判一副畫時,常常會提到,這幅畫的透視關係不錯,那幅畫的透視比例不對等等。

世界是三維的,而畫在紙上的畫是二維的。在日常生活中,由於距離和觀察方位的不同,我們看到的人和物的形象,有遠近、高低、大小、長短之分。為了描摹的畫傳達到人眼中仍然具有立體感,就有了我們現在總結的透視原理(這裏的透視指代照相機式的焦點透視)。

達芬奇總結的透視有三種:色彩透視、消逝透視和線透視。我們常說的近大遠小,就是這條原理里的一個重點。

在相機發明之前,西方有不少畫師是在用手還原攝影師的工作,那時候繪畫的任務之一是要能清晰的刻畫這個世界。皇家貴族們為了給自己造個像讓眾人敬仰,多半會雇重金請一個畫師,自己再隆重打扮一番,安穩得像一個木頭人一樣坐上幾個鍾,耐心地等待著畫師完稿。畫師每動一筆,都要確保符合透視原理,保證被畫者身體的美觀勻稱,這樣才能確保傭金入袋。

說到底,透視原理是一種科學與藝術相結合的技法,它的存在無非是為了還原這個世界真實的樣子。離我們近的東西看起來就大,離我們遠的東西看起來就小。那麼問題來了,我們可以在現實中發現不符合透視原理的特例嗎?

如果把地球和宇宙各比喻成一個氣球,想像一下下圖,你站在a點,同一塊披薩到底是放在在b點還是c點顯得更大呢?

我們會想當然地回答:一定是b點披薩看起來更小。對於地球這個靜止的氣球自然是對的,可惜對於宇宙這個氣球而言,是不斷有東西朝它吹氣的,而且在b點和c點的披薩圖像想要給a看需要一定的時間延遲,而延遲的過程中這個氣球又膨脹了。所以,由於地理局限性,一旦將我們的視線放到整個宇宙(逐漸吹起的氣球)里,奇怪的事情就發生了。。。。。。

這個宇宙有點「大小」失衡

我們的宇宙是一個膨脹的宇宙,使得大部分天體都在遠離我們,使得它們的光譜往紅端移動。我們常用紅移量(z)來大致表示遙遠星體距離我們的遠近(這裏的紅移僅僅是指宇宙學紅移,而不包含天體自身運動的紅移)。紅移越大的星體,離我們越遠。以我們的鄰居仙女座星系來說,若有一隻上帝之手不斷將他推離銀河系,我們眼裡看到它的圖景將會是這樣變化的:

可以看到,剛開始星系遠離我們時,我們看到它確實是越來越小,不過遠到一定程度的時候,怎麼我們眼裡卻反常地變大了?可見,當紅移z大於一定值的時候,我們腦海里近大遠小的概念崩塌了。

詭異?有趣?還是Amazing?雖然現實情況下沒有一個上帝之手將M31推離我們,但是事件背後的規律是的的確確存在的,這是我們在對宇宙星系大規模巡天得到的結果。

所以,這樣詭異的現象是怎麼發生的呢?

解決這樣一個問題前,我們還要做一個知乎式的發問,當我們看看星系時,我們到底在看些什麼?

是光!是經過千辛萬苦到達地球的光!我們看到的並非是星系本身,而是這個星系的光子在宇宙傳播后匯聚產生的圖像。由於宇宙是不斷膨脹的,所以我們必須擺脫絕對時空的思維來思考問題。

假設星系兩端各有一個光子朝地球飛來。前來的過程中,兩個光子的空間也會隨著宇宙的膨脹而膨脹。也就是說,光子一邊匯聚到我們這裏,一邊也在相互遠離。所以走的不是直線,而是曲線,我們反推回去的星系形狀,實際是星系被放大的虛像。當天體離我們比較近的時候這個效應不明顯;只有距離相當遠,宇宙膨脹才起作用。堪稱是宇宙版「讓子彈飛一會兒」。

如果不滿足於這樣泛泛的定性回答,這裏還有個定量的解釋。

藉由大量天文觀測的結果,我們總結出了很受用的宇宙學原理,這一原理只有短短的一行字:宇宙是均勻且各向同性的。也就是說,在宇宙上的任意一點,以及從這一點的任何方向看過去,看到的景象都是一樣的。也即是說,宇宙沒有中心,從任何天體上都將觀測到完全相同的宇宙演化圖景。當然,這幅宇宙圖景並不是放在地球尺度上用的,真正適用的是宇觀尺度,比擬超星系團大小的尺度。

再結合愛因斯坦的相對論,我們得到這樣一個宇宙時空的度規,宇宙的透視原理,就藏在了裏面。

推導太複雜,有興趣的小夥伴可以自己嘗試推導或是參與評論區討論。看到一兩個公式就頭大的小夥伴們只需要記住,利用FLRW度規推導的天體視角與紅移的關係,最後一行的θ就是我們看到的視角(在大院後台回復「宇宙透視」,獲取θ相關公式推導過程)。感興趣的小夥伴可以戳這裏:宇宙在膨脹,人們是怎麼發現的?

誰改變了宇宙的透視效果?

既然我們已經發現了這一違背近小遠大的規律,那麼,有沒有什麼是影響宇宙透視效果的因素呢?那我們還得聊一聊宇宙的組分。

我們接觸的世界雖然看似物質種類紛雜,但基本都可歸類為重子,也就是我們俗話說的普通物質。如果把宇宙比喻成一塊披薩餅,這類的普通物質卻只佔宇宙的5%左右,另外的25%是暗物質,這30%可以統稱為物質項,因為它們都會參與引力作用相互吸引,來抑制宇宙的膨脹。剩下的70%是我們至今尚且捉摸不透的暗能量,我們只知道它是推動宇宙膨脹的幕後黑手,具體的細節,還是一個未知數。還有一類特殊的組分,它們便是宇宙中的信使——光子,雖然它們在星系形成之前尚且功勛卓著,而演化到如今這一宇宙時彷彿成了一個破落戶,只佔了千分之一不到的一塊小角,權且充當這塊大餅的調味劑了。下面的討論我們不妨忽略掉它。

所以這麼一綜合,影響透視的只有兩大因素了,一個是物質項,一個是暗能量項。繼續拿M31星係為參考物,讓我們再度重溫一下當下宇宙的透視圖:

會不會是暗能量在作怪,讓我們自以為的透視原理失效了呢?那我們不妨做一個極端一點兒的假設。假設我們的宇宙全是由暗能量組成的,不摻一點兒雜質,那設想的星系不斷遠離的場景會是什麼樣的呢?

可以看到,我們期盼的遠小近大的宇宙又回來了,暗能量似乎不是顛倒我們認知觀點的因素。為了確保無誤,我們稍稍增加物質項的比例、減少暗能量的比例來試試:

可以發現,隨著物質比例的增加,奇怪的宇宙透視又回來了。似乎可以斷定是物質的作用了。那好,接下來我們不妨再做一個極端的嘗試,假設我們的宇宙物質比例佔100 %,又會是什麼樣的情景呢?

可以看到,100 %物質組成的宇宙,對常規透視原理的顛覆又多了不少。綜合來看,反倒是我們不太敢懷疑的物質給我們帶來了宇宙放大效應。而看似玄妙的暗能量反倒是我們固步自封的透視原理的守衛著了。至於像文章開頭深水王子那樣的例子,完完全全的遠大近小的宇宙則是不存在的。

恰恰只有當宇宙以完全的暗能量存在時,遠小近大的透視現象才始終不會失效。不過,宇宙若全是暗能量組成,又怎麼會有我們人類的出現呢?這頗有些魚和熊掌不可兼得的意思。最後,讓我們裝模做樣地總結個歪道理吧:

有人的宇宙,總存在些不可思議的事情。

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