利用哈勃望远镜,我们能够看到130多亿年前的宇宙( 二 )



利用哈勃望远镜,我们能够看到130多亿年前的宇宙
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不管是人眼 , 还是望远镜 , 当被观测目标距离过远时 , 就分辨不清楚了 。以人眼为例 , 当物体远离人眼时 , 在视野中就逐渐缩小成一个点 , 最终消失 , 这就是分辨能力受到了限制 。要想使远处的物体看得更清楚 , 就需要提高分辨能力 。
理论上放大倍数越高 , 就能看清更多细节 。可我们并不能通过简单地提高望远镜的放大倍率来提高分辨能力 , 因为望远镜的分辨能力会受到光波衍射限制(有兴趣的可以去了解一下艾里斑) , 存在一个极限分辨率 。我们通常以分辨角(物体两端引出的光线在视点处所形成的夹角)来描述这种极限分辨能力 , 这个最小夹角Δφ与望远镜的口径D和光的波长λ有关 , 即Δφ=1.22λ/D 。分辨角越小 , 分辨本领也就越强 。受可见光波长的限制 , 要想提高望远镜的分辨能力 , 就只能提高望远镜物镜的口径 。

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人眼的最小分辨角约为1角分 。要想看到秦始皇 , 必须在2200光年(2200×9.46×10^15米)之外才行 , 且被观测目标的可分辨尺寸至少要达到10厘米 。已知距离和目标物的尺寸 , 接下来利用反正切函数即可求出Δφ 。计算可知 , 此时望远镜的最小分辨角为4.8x10^-21度 。
而可见光的波长在400~760纳米之间 , 取个550纳米的平均值 , 即5.5x10^-7米 。计算可知 , 这个望远镜的口径将达到1.4×10^14米 , 即0.015光年 , 这大约是冥王星与太阳平均距离的24倍 。

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要制造口径如此巨大的望远镜 , 就算耗尽太阳系内所有可用的资源也造不出来 , 更别提保证镜面的精度了 。不仅制造是个难题 , 而且这么大口径的望远镜 , 工作时会产生海量的数据 , 需要极其强大的超级计算机才有能力处理 。了解一下哈勃望远镜拍摄的照片是怎么清洗出来的 , 你就明白了 。这样的计算机目前还造不出来 , 未来的超级量子计算机可能有能力胜任 。
不过 , 我们或许可以借助引力透镜的帮助 。强大的引力场能够使光线弯折 , 仿佛透镜一般 , 这样就能使用更小口径的望远镜达到更高的分辨率 。

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对于射电望远镜而言 , 采用干涉测量法 , 仅用一定数量的小口径望远镜就能模拟出口径超级大的望远镜(拍摄黑洞照片时就应用了该技术) 。可射电望远镜接收的是无线电信号 , 并不适合用来观察地球表面上的情况 。要想看到秦始皇的身影 , 还得靠光学望远镜 。光学望远镜虽然也可以采用干涉测量的方式提高分辨能力 , 但可见光的波长比无线电短很多 , 技术上实现起来也比较困难 。
最大的一个难题
乘坐一艘宇宙飞船 , 前往2000多光年外的地方 , 只要掌握好位置节点和方向 , 理论上是有机会亲眼目睹秦皇汉武风采的 。
可成也速度 , 败也速度 , 因为根据相对论 , 任何有质量物体的速度都不可能达到或者超越光速 , 那么短时间内跨越数千光年的距离才是最大的技术难题 。
目前人类所发射的探测器的最快速度连光速的1‰都没达到 , 更别提接近光速 。要想在宇宙中进行超光速旅行 , 必须使用全新的技术 , 比如利用空间曲率引擎超光速前行、利虫洞进行空间跳跃 。然而这些都停留在幻想阶段 , 能不能实现 , 如何实现 , 还要打上一个大大的问号 。