本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定反映《大眾科學》的觀點
可觀測宇宙是一個巨大的放大鏡。
在遙遠的距離上，物體看起來比它們的真實尺寸更大，而且距離越遠，它們看起來就越大。最遙遠的可觀測物體被放大瞭如此之多，以至於它們在天空中的影像——如果我們能看到它們——將被放大1000倍或更多。
如果有一條從這裡通往宇宙邊緣的道路，你不會看到它變得越來越小，最終匯聚成一點，就像你在地球上看到筆直的道路在地平線上消失成一點一樣，如上圖所示。相反，你會看到道路的兩側先是逐漸靠近，達到最小寬度，然後又開始分開。
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為了對接下來發生的事情有一些直觀的理解，看看藝術家們編纂的技術會很有幫助，這種技術被稱為反向透視，也稱為拜占庭透視。在普通透視中，線條匯聚到“無限遠”的點，而在反向透視中，有時在拜占庭聖像中可以看到，線條匯聚到描繪場景前方的點。這是一個由倫敦影片藝術家傑里米·穆尼-薩默斯製作的城市反向透視動畫。
https://vimeo.com/12518619
這裡還有另一個令人費解的例子
https://vimeo.com/12544644
還有另一個
https://vimeo.com/12532918
但是，遙遠宇宙與反向透視之間的比較只是部分正確。在我們的宇宙中，線條也不會匯聚到附近的某個點。相反，線條在附近（我說的“附近”是指在幾十億光年以內）遵循普通透視，而在更遠處則遵循反向透視。
對我而言，這個宇宙放大鏡是我們宇宙最令人震驚的特徵之一。儘管您可能從未聽說過它，但它是大爆炸理論最基本的預測之一：“人們認為這是對空間膨脹的真實性最直接的幾何檢驗，”偉大的天文學家艾倫·桑德奇在1988年寫道（原文為斜體）。
事實上，弗雷德·霍伊爾在1950年代後期提出了這項測試，他希望以此來推翻他所反對的大爆炸理論：他曾以不屑一顧的口吻創造了“大爆炸”一詞，並提出了一個競爭理論，稱為穩態宇宙。霍伊爾觀察到，在穩態宇宙中，不會發生這種放大現象。如果我們的宇宙未能透過這項測試——換句話說，如果天文學家能夠證明不存在放大效應，不存在反向透視——那麼大爆炸理論將被證偽。這被稱為角尺寸測試，或角直徑測試，因為它需要測量物體在天空中所對的角度。
（斯坦福大學卡弗裡粒子天體物理學和宇宙學研究所所長羅傑·布蘭福德指出，然而，霍伊爾並不是第一個意識到放大效應的宇宙學家。“羅伯遜和沃克，托爾曼等人都理解了這一切，”他說。霍華德·羅伯遜和阿瑟·沃克是在1920年代意識到廣義相對論，即阿爾伯特·愛因斯坦的引力理論，預測了宇宙膨脹的人。不久之後，理查德·托爾曼研究了物體的放大倍率和視亮度之間的關係。）
具有諷刺意味的是，雖然此後積累了許多其他證明大爆炸論點的證據——以至於現在幾乎沒有宇宙學家懷疑大爆炸是否發生過——但霍伊爾最初的挑戰似乎仍然存在：沒有人直接證明放大效應。宇宙學家之前曾試圖解決這個問題，但他們似乎已經放棄了。“沒有人再做那個方向的研究了，”我從一位專家那裡聽到這樣的評論。
（角直徑測試幾乎被遺忘可能就是您不太經常讀到它們的原因。畢竟，像《大眾科學》這樣的科學雜誌是新聞驅動的——它們傾向於報道當前的研究。但我發現非常令人困惑的是，它在流行的宇宙學書籍中沒有被更多地提及。）
您看，要估計物體的放大倍率如何隨距離變化，您需要知道三件事：1) 物體有多遠；2) 它在天空中看起來有多大；以及 3) 它的實際尺寸有多大。更準確地說，宇宙學家想知道放大倍率如何隨紅移變化，紅移是我們在遙遠星系的光中觀察到的光波拉伸現象。紅移是距離的代表，因為星系越遠，它們的光被拉伸得越多，這是宇宙膨脹的結果。
但是，從普通透視到反向透視的轉變發生在那些非常遙遠的星系中，它們的光在到達我們之前已經傳播了近100億年（布蘭福德告訴我，紅移為1.65，這意味著光的波長被拉伸了165%）。您可以想象，到目前為止，這些光看起來非常微弱。
正如物理學家史蒂文·溫伯格在他的權威教科書《宇宙學》中解釋的那樣，星系往往具有模糊的邊緣。因此，當一個星系非常遙遠時，與同一個星系更近時相比，它會有更多的部分變得模糊不清。遙遠星系的角直徑將顯得比我們能夠清楚地看到它的全部時要小。如果星系恰好是由異常微弱的恆星組成的，那麼它會顯得更小——只有它的核心，以及其中密集的恆星聚集體，才會顯現出來，如果有什麼能顯現出來的話。
溫伯格寫道，這些和其他問題使得角直徑測試“遠不如”其他測量宇宙幾何形狀的方法有用，例如Ia型超新星，它為三位天文學家贏得了今年的諾貝爾物理學獎。
儘管如此，至少在1990年代初期，弗吉尼亞州夏洛茨維爾國家射電天文臺的肯·凱勒曼透過觀察超大質量黑洞吞噬周圍物質時噴射出的高能物質噴流，對執行角直徑測試做出了值得注意的嘗試。
如果普通透視成立，那麼其中一些噴流看起來比您根據它們的距離所預期的要大10倍。“這可能是對大爆炸宇宙學預測的最好的直接觀測支援，”凱勒曼寫道，“並且也是星系和類星體的紅移確實是由於宇宙膨脹造成的直接證據。” 下面是凱勒曼論文中的一張圖表。
不幸的是，凱勒曼的方法後來受到了質疑，他使用的射電源現在通常被認為不可靠。也就是說，天文學家不確定他們是否可以準確地估計射電源的真實尺寸。
但是，為什麼這種違反直覺的效應會是真的呢？這與非歐幾里得幾何有關——與宇宙的非平坦性有關。
“等一下，”您說，“NASA的WMAP不是表明我們的宇宙是平坦的嗎？ 我讀過無數文章都這麼說。” 當然，但是這取決於您所說的“宇宙”是什麼意思。 這個術語經常被草率地使用，而沒有考慮到它可以意味著不同的事物。如果您所說的宇宙是指現在的空間——稱之為“現時宇宙”——那麼它看起來確實非常接近於平坦。如果您所說的宇宙是指時空，那麼如果阿爾伯特·愛因斯坦的廣義相對論是正確的，那麼它肯定不是平坦的：質量和能量會產生曲率，因此時空可以是平坦的唯一方法是它完全是空的。
但是，我在這裡所說的宇宙既不是“現時宇宙”也不是時空，而是另一回事。我所說的是可觀測宇宙——我們在天空中實際看到的東西。在下一篇文章中，我將解釋為什麼可觀測宇宙是彎曲的——以及為什麼它應該充當放大鏡。
參考文獻和延伸閱讀
射電天文學與宇宙學的關係，作者：弗雷德·霍伊爾。《射電天文學》，IAU Symposium No. 9，第529頁；1959年。
世界模型的觀測測試，作者：艾倫·桑德奇。《天文學和天體物理學年度評論》1988年。26: 561-630。
從緻密射電源的角尺寸/紅移關係估計的宇宙學減速引數，作者：K. I. 凱勒曼。《自然》361, 134 - 136；1993年1月14日。
使用緻密射電源測試角尺寸與紅移的關係，作者：Youri Dabrowski、Anthony Lasenby和Richard Saunders。《皇家天文學會月刊》，第277卷，第3期，第753-757頁。
宇宙的詩意，作者：羅伯特·奧瑟曼（1926-2011年安息）。Anchor Books，1995年。
宇宙學科學導論，作者：D. J. Raine 和 E. G. Thomas。物理研究所，2001年。
宇宙學，作者：史蒂文·溫伯格。牛津大學出版社，2008年。
你是什麼意思，宇宙是平坦的？，第一部分。《自由度》，2011年7月25日。
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