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周五 · 深空探测 | 周六 · 茶余星话 | 周日 · 天文周历 宇宙学原理 Cosmological Principle Sun enter the Capricorn the Star of Sin will shine The King of Sodom drink again Lady Babalons wine ——Therion《The Rise Of Sodom And Gomorrah》  上周我们简单讨论了膨胀的宇宙，但是给出的几乎都是现象方面的知识。本周我们先回顾一下，还有哪些现象也说明了宇宙正在膨胀，之后我们再讨论一个稍微有深度的话题：宇宙学原理。此外，还会稍微讨论一下宇宙膨胀问题。 首先先回答一下上周的遗留问题，不少读者反映小编没有讲明白红移。实际上红移很好理解，我们还是先看一下上周的图片。  红移是我们所熟知的物理现象。它指的是物体的电磁辐射由于某种原因波长增加的现象，在可见光波段，表现为光谱的谱线朝红端移动了一段距离，即波长变长、频率降低。 天文上的红移有三种，即引力红移，多普勒红移和宇宙学红移。引力红移，顾名思义就是强引力场导致的。而多普勒效应大家都在中学物理中学过，是相对运动导致的，而宇宙学红移则是由于宇宙膨胀导致的，并非真实的运动，因此宇宙学红移不算是多普勒效应。 换句话说，这就好比两个人拿着一根有弹性的绳子，如果两个人脚下的地面开始膨胀，两个人向相反的方向缓缓移动，这时候，绳子也会被拉长，如上图所示。而这对于光来说也一样，波长变长、频率降低，在光谱上就表现为谱线向红色移动。 我们在这里所谈论的即为宇宙学红移。回想上一期推送里我们给出的宇宙膨胀的规律，再结合上文所说的，想必您就不难理解为什么说宇宙学只有一个变量这个说法了。  除此之外，众多观测也表明宇宙在膨胀，例如宇宙中元素的丰度、CMB、星系的一些分布规律等等。这些方面的详细内容涉及宇宙演化知识，小编会在今后的推送中逐渐谈到。  想要建立一门学科，基本原理是很重要的。所谓的基本原理，就是一门学科颠扑不破的基本准则，那么什么是宇宙学原理呢？ 归结起来可以有两条：均匀和各向同性。 所谓的均匀和各向同性，指的是从大尺度上（星系团尺度）讲，宇宙中的物质的分布，在所有时间内，是均匀且各向同性分布的。 那么我们为什么非要强调均匀且各向同性呢？这难道不是语义重复吗？ 细想一下就知道实际上并非这样。不妨这样想，如果我们地球处在一个非常特殊的位置，即宇宙的中心，之后物质在我们周围就像蛋黄和蛋清那样有明显的密度分界分布着。显然这样的宇宙模型，对于地球来说，也是各向同性的，但是物质并非均匀分布的。  事实上，宇宙学原理告诉我们，宇宙没有中心，也没有边界。设想，如果我们的地球是一个均匀而完美的实心球体，并没有山川湖海，那么此时，无论你是站在哪里，观测到的地球的地理性质都是一样的。宇宙也是如此，宇宙学原理告诉我们，在每个星系团上观测宇宙，我们得到的宇宙的信息也是一样的，不会在这里宇宙膨胀，那里宇宙就是收缩的了。换句话说，你在每个星系团中进行观测，最后得到的哈勃定律都是一致的。 换句话说，我们可以把宇宙比作一团理想气体，而星系团就可以类比为气体分子。 宇宙学原理是爱因斯坦在研究宇宙时候给出的一个近似处理，而后来随着现代宇宙学逐渐发展，这个近似已经升级为原理，大多数宇宙学模型都是基于这个基本假设提出的。 不过，话说回来，我们的宇宙真的可以类比为“理想气体”来处理吗？ 这就要谈论到宇宙的“年龄问题”。  宇宙的年龄在100亿年这个数量级上，这个是怎样测出来的我们今后会讲到。在周二的推文中宇宙，有读者留言问为何宇宙才130亿岁，而可观测宇宙的半径却是930亿光年呢？小编在这里越殂代疱一下，首先读过上文的读者们应该已经知道，宇宙并不是匀速膨胀的；其次，宇宙在膨胀过程中历经了很多个阶段，早期宇宙并非像我们今天的宇宙这样，整个过程经历了暴涨、辐射主导、物质主导、暗能量主导等多个阶段。早期宇宙的演化过程今后的文章里我们会讲到，而其中暴涨会让宇宙在极短的时间内膨胀到非常大，这是宇宙学上的一个里程碑式的学说。因此，在明确了这些知识之后，这个问题就不难理解了。  那么宇宙年龄问题是怎么回事呢？ 上文提到，宇宙演化历经了很多个阶段。如果现在的宇宙依然是物质主导的话，那么宇宙年龄大约在80到100亿年；而观测则表明，有些古老的球状星团的年龄要超过110亿年。而随着进一步观测，这个问题可谓常出常新。  最后我们来说说黏性流体。 我们先想这样一个问题，飞机机翼为什么做成上弯下平的形状？初中物理告诉我们，这是为了使得上下压强不同而提供升力。 但是，这个回答仅限于初中物理。为什么？因为这里完全把空气当做理想气体处理。而现实中的空气、液体等的黏性在很多情况下是不能忽略的。事实上，如果没有黏性，水都流不起来。 那么黏性流体和宇宙年龄问题又有什么关系呢？  如果假设宇宙中的物质并非理想流体，古老星团的年龄就不再比宇宙年龄大，那么从某种意义上，宇宙年龄问题就可以得到缓解。 回到我们今天的主题上。实际上，理想流体是并不存在的，就像做物理题时候经常出现的小滑块也不可能在现实中存在一样。而宇宙学原理中，一个很重要的词汇就是“大尺度”，即星系团尺度。 因此，宇宙学原理实际上告诉我们，宇宙没那么复杂。 - e n d - 作者：王纪尧 |
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