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问伊桑39号：为什么光随着宇宙的扩展而伸展？

他们说宇宙正在膨胀。这样可以解决交通拥堵的问题。
斯蒂芬·赖特（Stephen Wright）。


读者问：
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一个非常大的问题，让我们重新开始，以便我们有一个上下文。

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众所周知，宇宙的可见部分起源于大爆炸：一系列初始条件，在此条件下，宇宙变得更热，更密，更紧凑，然后开始迅速膨胀。宇宙一直扩展到今天，所有不受重力连接的事物都将无限期地扩展。

原则上，我们可以想象我们将围绕给定体积的宇宙绘制一个球体，覆盖我们内部的所有质量能。而且，如果我们倒转时钟，事实证明，相同数量的粒子将被封装在一个较小的球体中。

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只是不要忘记，这不是我们曾曾祖父想象的那种空间-坐标固定，明确定义了点之间的距离，并且来自不同点的观察者就发生什么，何时何地完全达成共识。这是一个根据广义相对论定律工作的宇宙，其中时空取决于能量，动量和观察者的位置。

如果我们是宇宙中一个长期存在的单一观察者，那么我们将研究银河系的位置-数十亿年前，而现在，我们将看到什么？

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我们将看到，在酵母中生长的星系的相对位置以与测试中的谷物位置相同的方式变化。种子本身不增加-它们受重力束缚。宇宙在它们周围膨胀，结果它们之间的距离增加了。但是行星，恒星，星系，甚至群和星团都不会随着宇宙膨胀。它们远离与其不相关的其他结构。

换句话说，如果你的腰围扩大，那不是宇宙的错！

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为什么会这样呢？

缺点是时空的属性。宇宙的演化，或者从观察者的角度来看，空间被压缩或扩展的方式，是由宇宙中能量和物质的数量所调节的。这是GR描述的关键特性：存在于宇宙中的物质和能量决定了时空的演变。

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那么，光是怎么回事？确实，可以想象充气球的表面画有线条。由于光子的能量由其波长决定，因此听起来很合理，即随着宇宙的膨胀，波长会增加，并且会发生红移。

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但是为什么会发生这种情况，而其他影响是否没有影响呢？也许宇宙正在膨胀，但是突然的红移并不是由这个原因引起的。

特别是有多普勒效应，因此，如果汽车朝您的方向行驶，警笛会发出更高的声音，如果您从您的方向行驶，警笛会发出更低的声音。

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当声波在运动方向上被压缩并在相反方向上伸展时，光也是如此。如果光源远离您，则光源会发生红移，如果朝向您，则发生蓝移。

但是根据GTR，重力也必须影响光子能量。时空和物质与能量密切相关。想象一下由于存在质量，地球周围的空间如何弯曲。

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当我们将信号从地球轨道发送到地面并返回（GPS）时，我们不仅要考虑相对论效应对运动（STR）的影响，还要考虑对地球引力场（GR）的影响。

想象一下，我们有一对电子和正电子悬挂在地球上方。当它们被消灭时，能量将以具有一定能量的两个光子的形式释放-能量等于其余的粒子质量。

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如果这些光子飞向地球会发生什么？它们表面上的能量与太空中的能量相同吗？

不，因为这将违反能量守恒定律。如果我们抛下粒子，它们将掉落并获得动能，运动的速度越来越快。并且在跌落到地球之前，他们将相遇并歼灭。

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粒子是立即消失还是先消失都没有关系-根据守恒定律，由于空间引力特性的变化，光子的能量也应发生引力位移。

我对此进行了解释，以便您意识到发生红移的原因有两个。以位于我们附近并且非常遥远的星系为例。

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红移是由于空间伸展（重力原因）而发生，还是由于星系远离我们而发生？

事实证明，最后一个陈述是正确的。由于对最大速度有限制，因此与GR预测的距离相距很远的光星系的速度不应与它们的距离具有相同的红移比。在该图上，用黑色显示GTR的预测，用红色显示与红移与时空不相关（而只是将光速乘以经过的时间）的预测。

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这是一项重要的宇宙学检验：如果光的波长不随着宇宙的膨胀而伸展，那么宇宙微波背景辐射就无法解释，整个大爆炸理论也将停止运作。

幸运的是，GTR完全通过了此测试，并且波长和频率随宇宙的膨胀而变化。这已通过各种方式进行了测量，包括宇宙历史上各个时代的温度。

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这就是为什么在一个遵循广义相对论的宇宙中（而我们的宇宙就是这样），当宇宙膨胀时，换句话说，当空间的引力特性发生变化时，光就会发生红移。

Source: https://habr.com/ru/post/zh-CN387965/

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