近大远小?在宇宙中,远处的天体看起来反而更大!
还记得《三体·死神永生》里的针眼画师么？凡是他见过的人,都可以准确无误地画下来。但有一人是特例,画师也只能铩羽而归,他便是深水王子。故事里的深水王子,远看像一座巨峰,再近些看则变成一个巨人大小,真正接近他时,看到的身高却比普通人还矮半截。失败的针眼画师辩解道:"世界上所有的景物,在我们的视野中都是近大远小,这就是透视原理。我是西洋画派的画师,西洋画派遵循透视原理,所以我不可能画出(近小远大)的他。"小说毕竟是小说,对居住在地球上的我们而言,深水王子那般的远大近小只能是反常,而近大远小才是真理。可是如果放眼宇宙,类似深水王子这样的特例真的不成立吗？远小近大,深入人心的透视原理很多初学绘画的人,经常会听到透视这一概念。在评判一副画时,常常会提到,这幅画的透视关系不错,那幅画的透视比例不对等等。世界是三维的,而画在纸上的画是二维的。在日常生活中,由于距离和观察方位的不同,我们看到的人和物的形象,有远近、高低、大小、长短之分。为了描摹的画传达到人眼中仍然具有立体感,就有了我们现在总结的透视原理(这里的透视指代照相机式的焦点透视)。可以很好反映透视原理的一幅简笔画(图片来源:veer图库)达芬奇总结的透视有三种:色彩透视、消逝透视和线透视。我们常说的近大远小,就是这条原理里的一个重点。在相机发明之前,西方有不少画师是在用手还原摄影师的工作,那时候绘画的任务之一是要能清晰的刻画这个世界。皇家贵族们为了给自己造个像让众人敬仰,多半会雇重金请一个画师,自己再隆重打扮一番,安稳得像一个木头人一样坐上几个钟,耐心地等待着画师完稿。画师每动一笔,都要确保符合透视原理,保证被画者身体的美观匀称,这样才能确保佣金入袋。符合透视原理的《蒙娜丽莎》和不符合透视原理的毕加索人物画作说到底,透视原理是一种科学与艺术相结合的技法,它的存在无非是为了还原这个世界真实的样子。离我们近的东西看起来就大,离我们远的东西看起来就小。那么问题来了,我们可以在现实中发现不符合透视原理的特例吗？如果把地球和宇宙各比喻成一个气球,想象一下下图,你站在a点,同一块披萨到底是放在在b点还是c点显得更大呢？我们会想当然地回答:一定是b点披萨看起来更小。对于地球这个静止的气球自然是对的,可惜对于宇宙这个气球而言,是不断有东西朝它吹气的,而且在b点和c点的披萨图像想要给a看需要一定的时间延迟,而延迟的过程中这个气球又膨胀了。所以,由于地理局限性,一旦将我们的视线放到整个宇宙(逐渐吹起的气球)里,奇怪的事情就发生了......这个宇宙有点"大小"失衡我们的宇宙是一个膨胀的宇宙,使得大部分天体都在远离我们,使得它们的光谱往红端移动。我们常用红移量(z)来大致表示遥远星体距离我们的远近(这里的红移仅仅是指宇宙学红移,而不包含天体自身运动的红移)。红移越大的星体,离我们越远。以我们的邻居仙女座星系来说,若有一只上帝之手不断将他推离银河系,我们眼里看到它的图景将会是这样变化的:当上帝之手推动我们的邻居星系m31越来越"远",它的大小在我们眼里如图片那样变化(不考虑颜色变化)可以看到,刚开始星系远离我们时,我们看到它确实是越来越小,不过远到一定程度的时候,怎么我们眼里却反常地变大了？可见,当红移z大于一定值的时候,我们脑海里近大远小的概念崩塌了。诡异？有趣？还是amazing？虽然现实情况下没有一个上帝之手将m31推离我们,但是事件背后的规律是的的确确存在的,这是我们在对宇宙星系大规模巡天得到的结果。所以,这样诡异的现象是怎么发生的呢？解决这样一个问题前,我们还要做一个知乎式的发问,当我们看看星系时,我们到底在看些什么？是光！是经过千辛万苦到达地球的光！我们看到的并非是星系本身,而是这个星系的光子在宇宙传播后汇聚产生的图像。由于宇宙是不断膨胀的,所以我们必须摆脱绝对时空的思维来思考问题。远处的星系被放大的原理图假设星系两端各有一个光子朝地球飞来。前来的过程中,两个光子的空间也会随着宇宙的膨胀而膨胀。也就是说,光子一边汇聚到我们这里,一边也在相互远离。所以走的不是直线,而是曲线,我们反推回去的星系形状,实际是星系被放大的虚像。当天体离我们比较近的时候这个效应不明显；只有距离相当远,宇宙膨胀才起作用。堪称是宇宙版"让子弹飞一会儿"。如果不满足于这样泛泛的定性回答,这里还有个定量的解释。借由大量天文观测的结果,我们总结出了很受用的宇宙学原理,这一原理只有短短的一行字:宇宙是均匀且各向同性的。也就是说,在宇宙上的任意一点,以及从这一点的任何方向看过去,看到的景象都是一样的。也即是说,宇宙没有中心,从任何天体上都将观测到完全相同的宇宙演化图景。当然,这幅宇宙图景并不是放在地球尺度上用的,真正适用的是宇观尺度,比拟超星系团大小的尺度。再结合爱因斯坦的相对论,我们得到这样一个宇宙时空的度规,宇宙的透视原理,就藏在了里面。描述我们宇宙时空的flrw度规推导太复杂,有兴趣的小伙伴可以自己尝试推导或是参与评论区讨论。看到一两个公式就头大的小伙伴们只需要记住,利用flrw度规推导的天体视角与红移的关系,最后一行的θ就是我们看到的视角(在大院后台回复"宇宙透视",获取θ相关公式推导过程)。感兴趣的小伙伴可以戳这里:谁改变了宇宙的透视效果？既然我们已经发现了这一违背近小远大的规律,那么,有没有什么是影响宇宙透视效果的因素呢？那我们还得聊一聊宇宙的组分。我们接触的世界虽然看似物质种类纷杂,但基本都可归类为重子,也就是我们俗话说的普通物质。如果把宇宙比喻成一块披萨饼,这类的普通物质却只占宇宙的5%左右,另外的25%是暗物质,这30%可以统称为物质项,因为它们都会参与引力作用相互吸引,来抑制宇宙的膨胀。剩下的70%是我们至今尚且捉摸不透的暗能量,我们只知道它是推动宇宙膨胀的幕后黑手,具体的细节,还是一个未知数。还有一类特殊的组分,它们便是宇宙中的信使-光子,虽然它们在星系形成之前尚且功勋卓著,而演化到如今这一宇宙时仿佛成了一个破落户,只占了千分之一不到的一块小角,权且充当这块大饼的调味剂了。下面的讨论我们不妨忽略掉它。宇宙大饼(图片来源:中科院国家天文台陈学雷 制)所以这么一综合,影响透视的只有两大因素了,一个是物质项,一个是暗能量项。继续拿m31星系为参考物,让我们再度重温一下当下宇宙的透视图:我们这个宇宙下的透视效果,红移越大,说明离我们越远会不会是暗能量在作怪,让我们自以为的透视原理失效了呢？那我们不妨做一个极端一点儿的假设。假设我们的宇宙全是由暗能量组成的,不掺一点儿杂质,那设想的星系不断远离的场景会是什么样的呢？假设宇宙由完全的暗能量组成,这个宇宙下的透视原则可以看到,我们期盼的远小近大的宇宙又回来了,暗能量似乎不是颠倒我们认知观点的因素。为了确保无误,我们稍稍增加物质项的比例、减少暗能量的比例来试试:暗能量逐渐从100%逐渐减少到70%,物质组分逐渐增加30%(我们的宇宙)下的透视变化情况可以发现,随着物质比例的增加,奇怪的宇宙透视又回来了。似乎可以断定是物质的作用了。那好,接下来我们不妨再做一个极端的尝试,假设我们的宇宙物质比例占100 %,又会是什么样的情景呢？如果我们的宇宙100 %由物质组成,宇宙对远处星体的"放大效应"还要显著更多可以看到,100 %物质组成的宇宙,对常规透视原理的颠覆又多了不少。综合来看,反倒是我们不太敢怀疑的物质给我们带来了宇宙放大效应。而看似玄妙的暗能量反倒是我们固步自封的透视原理的守卫着了。至于像文章开头深水王子那样的例子,完完全全的远大近小的宇宙则是不存在的。最后综合一下不同物质组分和暗能量组分下的宇宙透视效果恰恰只有当宇宙以完全的暗能量存在时,远小近大的透视现象才始终不会失效。不过,宇宙若全是暗能量组成,又怎么会有我们人类的出现呢？这颇有些鱼和熊掌不可兼得的意思。最后,让我们装模做样地总结个歪道理吧:有人的宇宙,总存在些不可思议的事情。