• 汇集公众科学智慧交流科学思想见解
  • 点燃科学智慧火花构建互动交流平台
科学智慧火花
发表评论  94                

从宇宙事件的时间轴分析我们今天的深空视界

投稿时间:2017-02-20 12:26 投稿人:王孝恩 【字号: 访问量:

浩瀚深邃的宇宙,从大家猜测的时间零点或宇宙的奇点开始至今,我们今天的人类,无论是用我们的肉眼亲目,还是所有光学望远镜,甚或最大口径的射电天文望远镜,究竟能看到多大的部分?是什么在限制着我们的视野?后一个问题的答案很简单:是光速。不过对前一个问题的回答,就需要以光速为主线,从宇宙事件的时间轴来描绘我们探测宇宙深空的视野范围。

首先根据目前大家的共识,假定我们今天的宇宙都是起源于一个共同的奇点,将那时的时间记作宇宙的零点(t=0)。我们将宇宙空间中任一点上发生的事件,都用一条表示宇宙时间的射线来标记。每条射线都从这个宇宙零点(0)开始,行进中的另一点(例如T,射线的尖端)表示我们现在时的宇宙时间(不是经过光速所观察到的时间,是一个纯理论想像的、但实际一定存在的即时的时间)。

理论上空间中的任何一点,在整个宇宙的演化进程中所发生的所有事件的时间顺序,都可以由这样的一条射线(时间轴)来表示。从t=0的宇宙奇点开始,所有射线的终点构成一个表示宇宙现在时的大球面。选一条射线OT为我们地球的时间轴,T为当前时间和我们的当前位置。在表示宇宙当前时的大球面上所发生的所有事件,除我们自身所在的点以外,理论上都是我们看不到的。每条射线上发生的所有事件,只有一个时间点上的事件是我们今天能够观察到的,这个点就是从我们今天的T点向该射线所作的垂线的垂足。每条时间轴上,只有这样的垂足点所表示的事件的信号才能到达今天的我们,它们都遵从光程最短这一原则。所有这些垂足又构成了一个小的球面,这个小球面就是我们地球观察者今天探测宇宙的视界(以下简称为视界球面)。

同样地,如果地外高级生命要来探索我们地球上近些年才开始出现的频繁的无线电信号,那也只能在遥远的将来才能测到,并且距离我们越遥远,他们要等待的时间就越长。因为我们现在的信号也是以垂直于我们的时间轴的方向发出,也就是作为现在时的大球面的切线方向,这些信号一出发它就进入了我们的未来时。它们随宇宙膨胀,与其它时间轴的延长同步。

随着我们探测手段的不断改进,我们的视野将沿着视界球面不断向视界球对面的0点(就是t=0的那个宇宙零点)靠近。也可能宇宙的奇点我们将永远看不到,因为根据我在另文中的分析[1],宇宙红移值Z是我们今天的宇宙年龄与所测光子出生时的宇宙年龄之比。当接近奇点时,红移z值将趋于无穷大。看到奇点也许是我们人类永远追求的目标。

从上分析可以看出,宇宙的另一半是我们永远看不到的。这从理论上限制了今天地球上的我们,只能探测到众多宇宙事件中仅处于我们视界球面上的那一小部分。

在此之前,由其他人发表的描述宇宙时空的所有的四维图,几乎都是在不随时间而变化的三维空间图形的基础上,另加第四维时间坐标绘制的。

因为我的电脑不支持图形和照片的上传,请读者原谅。读者可根据上面的描述,自己绘一幅“宇宙时间轴时空图”。就是先画一个大圆,圆心就是t=0的那个宇宙零点O。将此圆沿水平直径旋转一周就得到表示宇宙现在时的大球面。若从先前画的那个大圆的圆心O,向右的水平半径OT记为我们地球的时间轴。以此半径为直径再画一个小圆,以OT为轴旋转一周,所得小球面就是我们地球人今天能观察到的宇宙深空视界球面。

我们这样描述的宇宙时空,是以时间为第一维度,空间坐标为后续维度。突出了以宇宙膨胀为基础的随时间而发生的空间的变化。t=0的宇宙奇点是整个宇宙时空的坐标原点,宇宙任何地方的现在时又都可以作为一个新的空间坐标的原点,由其可以建立后续的球坐标形式的空间坐标系(RΘΦ),共同组成三维或四维时空坐标体系(tRΘΦ,必要时第四维坐标可能要用到复数)。后续空间球坐标系的引入,对于各天体的自旋及公转运行的描述都将是方便的。

不管天体距离宇宙中心的远近,在第一维的时间轴图形上,其现在时都会出现在图中大球的球面上。在大球面上任意两点间的弧长就是宇宙现在时两点间的直线距离。此图不仅给出了我们人类今天探测宇宙的视界,也给出了一种新形式的宇宙四维时空的新描述。

参考文献

王孝恩,对我国射电天文望远镜启用后的建议与观测结果的预测,中科院科学智慧火花:2016-09-24.