光锥的一个例子,可以将其视为所有可能到达和离开时空中的一个点的光线所组成的三维表面。你在空间中移动得越多,在时间中就移动得越少,反之亦然。只有在宇宙既不膨胀也不收缩的情况下,关联空间和时间的线才会是直线。
这意味着,在我们所处的银河系或本星系群中,宇宙的膨胀是完全可以忽略不计的。只有在更大的宇宙尺度上,宇宙的膨胀才会变得明显。在这样的宇宙尺度下,我们观察到的物体可能在一个更大的结构中相互约束,但没有和我们处于同一个结构中。“运动中的质量”确实会产生影响,也会改变时空曲率,但这些影响通常都很小——大约只会影响千分之一的距离变化。
在谈论我们与本星系群中其他物体的宇宙距离时,一个物体到我们的距离(以光年为单位)和光从那个物体到我们眼睛所花的年数是等效的,天文学家称之为“回溯时间”。只要宇宙的膨胀可以忽略不计,用光速除以物体的距离就能获得精确度达99.9%的回溯时间。
但在更大的宇宙尺度上,一些复杂得多的事情正在发生。当光线从更遥远的物体——比如本星系群外的星系或类星体——射向我们时,就会发生以下过程:
·光以光速从远处的物体发射出来;
·当光通过星系际空间向目的地行进时,光源物体和最终将吸收光的物体之间的距离会继续增加;
·随着光继续它的旅程,不断膨胀的宇宙拉伸了光的波长,导致其波长增加,也就是我们所观察到的红移;
·同时,光源物体与最终吸收光的物体之间的距离也在不断增加。
这是膨胀宇宙的葡萄干面团模型,物体(葡萄干)的相对距离会随着空间(面团)的膨胀而增加。两个物体之间的距离越远,在接收到光线时,所观测到的红移就越大。膨胀宇宙所预测的红移-距离关系在观测中得到了证实,并且与自20世纪20年代以来所取得的认识一致。
结果,当光最终到达地球时,发射体和吸收体之间的原始距离会远小于当前的距离。与此同时,如果将回溯时间乘以光速,就会得到一个中间距离:比原来的距离大,但比现在的距离小。这就是宇宙年龄(从大爆炸开始测量)和距离最远的可视物体(对应它们与我们今天的距离)之间出现矛盾的原因。
也许更令人惊讶的是,这种回溯时间和我们与遥远物体当前距离之间的差异,只有在大的宇宙尺度上才有重要的意义。我们夜空中最显眼的星系——包括仙女座星系、风车星系、波德星系和草帽星系等——看起来就像是“数百万年前”的样子,与它们与我们的距离(以光年为单位)相符。这些星系的光经过1亿年的旅程,到达了如今1.01亿光年的距离,这样的差异堪称微小。
然而,在非常大的距离下,膨胀的宇宙便开始施加一些重要的影响:
·来自10亿年前的光对应目前距离我们10.36亿光年的物体;
·来自50亿年前的光对应目前60.87亿光年之外的物体;
·来自100亿年前的光对应目前距离我们160.3亿光年的物体;
·来自137.8亿年前的光对应目前416亿光年之外的物体。
星系离我们越远,其远离我们的速度就越快,所发出的光就会出现越大的红移。今天,一个随着宇宙膨胀而移动的星系与我们的距离(以光年为单位)甚至大于它发出的光到达我们所需要的年数(乘以光速)。
这并不是说我们在空间中看到的要比我们在时间上看到的更加久远。相反,空间和时间是相关的,宇宙正在膨胀,而这种膨胀的效应是累积的,并且影响着穿越宇宙的光在其旅程中的每一步。传播时间越长的光被拉伸的幅度越大,而因为宇宙在膨胀,发出光的物体现在也处于更大的距离上。换言之,由于宇宙的膨胀,我们可以精确地看到461亿光年之外的物体。
无论时间过去多久,我们能观察到的物体和我们可能接触到的物体永远都是有限的。只要空间和时间被爱因斯坦的相对论联系在一起,这些极限就永远不会被打破。