本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
可观测宇宙是一个巨大的放大镜。
在遥远的距离上，物体看起来比它们的真实尺寸更大，而且距离越远，它们看起来就越大。最遥远的可观测物体被放大了如此之多，以至于它们在天空中的图像——如果我们能看到它们——将被放大1000倍或更多。
如果有一条从这里通往宇宙边缘的道路，你不会看到它变得越来越小，最终汇聚成一点，就像你在地球上看到笔直的道路在地平线上消失成一点一样，如上图所示。相反，你会看到道路的两侧先是逐渐靠近，达到最小宽度，然后又开始分开。
关于支持科学新闻
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻事业 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保未来能够继续讲述关于塑造我们今天世界的发现和想法的具有影响力的故事。
为了对接下来发生的事情有一些直观的理解，看看艺术家们编纂的技术会很有帮助，这种技术被称为反向透视，也称为拜占庭透视。在普通透视中，线条汇聚到“无限远”的点，而在反向透视中，有时在拜占庭圣像中可以看到，线条汇聚到描绘场景前方的点。这是一个由伦敦视频艺术家杰里米·穆尼-萨默斯制作的城市反向透视动画。
https://vimeo.com/12518619
这里还有另一个令人费解的例子
https://vimeo.com/12544644
还有另一个
https://vimeo.com/12532918
但是，遥远宇宙与反向透视之间的比较只是部分正确。在我们的宇宙中，线条也不会汇聚到附近的某个点。相反，线条在附近（我说的“附近”是指在几十亿光年以内）遵循普通透视，而在更远处则遵循反向透视。
对我而言，这个宇宙放大镜是我们宇宙最令人震惊的特征之一。尽管您可能从未听说过它，但它是大爆炸理论最基本的预测之一：“人们认为这是对空间膨胀的真实性最直接的几何检验，”伟大的天文学家艾伦·桑德奇在1988年写道（原文为斜体）。
事实上，弗雷德·霍伊尔在1950年代后期提出了这项测试，他希望以此来推翻他所反对的大爆炸理论：他曾以不屑一顾的口吻创造了“大爆炸”一词，并提出了一个竞争理论，称为稳态宇宙。霍伊尔观察到，在稳态宇宙中，不会发生这种放大现象。如果我们的宇宙未能通过这项测试——换句话说，如果天文学家能够证明不存在放大效应，不存在反向透视——那么大爆炸理论将被证伪。这被称为角尺寸测试，或角直径测试，因为它需要测量物体在天空中所对的角度。
（斯坦福大学卡弗里粒子天体物理学和宇宙学研究所所长罗杰·布兰福德指出，然而，霍伊尔并不是第一个意识到放大效应的宇宙学家。“罗伯逊和沃克，托尔曼等人都理解了这一切，”他说。霍华德·罗伯逊和阿瑟·沃克是在1920年代意识到广义相对论，即阿尔伯特·爱因斯坦的引力理论，预测了宇宙膨胀的人。不久之后，理查德·托尔曼研究了物体的放大倍率和视亮度之间的关系。）
具有讽刺意味的是，虽然此后积累了许多其他证明大爆炸论点的证据——以至于现在几乎没有宇宙学家怀疑大爆炸是否发生过——但霍伊尔最初的挑战似乎仍然存在：没有人直接证明放大效应。宇宙学家之前曾试图解决这个问题，但他们似乎已经放弃了。“没有人再做那个方向的研究了，”我从一位专家那里听到这样的评论。
（角直径测试几乎被遗忘可能就是您不太经常读到它们的原因。毕竟，像《大众科学》这样的科学杂志是新闻驱动的——它们倾向于报道当前的研究。但我发现非常令人困惑的是，它在流行的宇宙学书籍中没有被更多地提及。）
您看，要估计物体的放大倍率如何随距离变化，您需要知道三件事：1) 物体有多远；2) 它在天空中看起来有多大；以及 3) 它的实际尺寸有多大。更准确地说，宇宙学家想知道放大倍率如何随红移变化，红移是我们在遥远星系的光中观察到的光波拉伸现象。红移是距离的代表，因为星系越远，它们的光被拉伸得越多，这是宇宙膨胀的结果。
但是，从普通透视到反向透视的转变发生在那些非常遥远的星系中，它们的光在到达我们之前已经传播了近100亿年（布兰福德告诉我，红移为1.65，这意味着光的波长被拉伸了165%）。您可以想象，到目前为止，这些光看起来非常微弱。
正如物理学家史蒂文·温伯格在他的权威教科书《宇宙学》中解释的那样，星系往往具有模糊的边缘。因此，当一个星系非常遥远时，与同一个星系更近时相比，它会有更多的部分变得模糊不清。遥远星系的角直径将显得比我们能够清楚地看到它的全部时要小。如果星系恰好是由异常微弱的恒星组成的，那么它会显得更小——只有它的核心，以及其中密集的恒星聚集体，才会显现出来，如果有什么能显现出来的话。
温伯格写道，这些和其他问题使得角直径测试“远不如”其他测量宇宙几何形状的方法有用，例如Ia型超新星，它为三位天文学家赢得了今年的诺贝尔物理学奖。
尽管如此，至少在1990年代初期，弗吉尼亚州夏洛茨维尔国家射电天文台的肯·凯勒曼通过观察超大质量黑洞吞噬周围物质时喷射出的高能物质喷流，对执行角直径测试做出了值得注意的尝试。
如果普通透视成立，那么其中一些喷流看起来比您根据它们的距离所预期的要大10倍。“这可能是对大爆炸宇宙学预测的最好的直接观测支持，”凯勒曼写道，“并且也是星系和类星体的红移确实是由于宇宙膨胀造成的直接证据。” 下面是凯勒曼论文中的一张图表。
不幸的是，凯勒曼的方法后来受到了质疑，他使用的射电源现在通常被认为不可靠。也就是说，天文学家不确定他们是否可以准确地估计射电源的真实尺寸。
但是，为什么这种违反直觉的效应会是真的呢？这与非欧几里得几何有关——与宇宙的非平坦性有关。
“等一下，”您说，“NASA的WMAP不是表明我们的宇宙是平坦的吗？ 我读过无数文章都这么说。” 当然，但是这取决于您所说的“宇宙”是什么意思。 这个术语经常被草率地使用，而没有考虑到它可以意味着不同的事物。如果您所说的宇宙是指现在的空间——称之为“现时宇宙”——那么它看起来确实非常接近于平坦。如果您所说的宇宙是指时空，那么如果阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论是正确的，那么它肯定不是平坦的：质量和能量会产生曲率，因此时空可以是平坦的唯一方法是它完全是空的。
但是，我在这里所说的宇宙既不是“现时宇宙”也不是时空，而是另一回事。我所说的是可观测宇宙——我们在天空中实际看到的东西。在下一篇文章中，我将解释为什么可观测宇宙是弯曲的——以及为什么它应该充当放大镜。
参考文献和延伸阅读
射电天文学与宇宙学的关系，作者：弗雷德·霍伊尔。《射电天文学》，IAU Symposium No. 9，第529页；1959年。
世界模型的观测测试，作者：艾伦·桑德奇。《天文学和天体物理学年度评论》1988年。26: 561-630。
从致密射电源的角尺寸/红移关系估计的宇宙学减速参数，作者：K. I. 凯勒曼。《自然》361, 134 - 136；1993年1月14日。
使用致密射电源测试角尺寸与红移的关系，作者：Youri Dabrowski、Anthony Lasenby和Richard Saunders。《皇家天文学会月刊》，第277卷，第3期，第753-757页。
宇宙的诗意，作者：罗伯特·奥瑟曼（1926-2011年安息）。Anchor Books，1995年。
宇宙学科学导论，作者：D. J. Raine 和 E. G. Thomas。物理研究所，2001年。
宇宙学，作者：史蒂文·温伯格。牛津大学出版社，2008年。
你是什么意思，宇宙是平坦的？，第一部分。《自由度》，2011年7月25日。
《大众科学》是自然出版集团的一部分。