近大遠小？在宇宙中，遠處的天體看起來反而更大！

還記得《三體·死神永生》裏的針眼畫師麼？

凡是他見過的人，都可以准確無誤地畫下來。但有一人是特例，畫師也只能铩羽而歸，他便是深水王子。

故事裏的深水王子，遠看像一座巨峰，再近些看則變成一個巨人大小，真正接近他時，看到的身高卻比普通人還矮半截。失敗的針眼畫師辯解道：「世界上所有的景物，在我們的視野中都是近大遠小，這就是透視原理。我是西洋畫派的畫師，西洋畫派遵循透視原理，所以我不可能畫出（近小遠大）的他。」

小說畢竟是小說，對居住在地球上的我們而言，深水王子那般的遠大近小只能是反常，而近大遠小才是真理。可是如果放眼宇宙，類似深水王子這樣的特例真的不成立嗎？

遠小近大，深入人心的透視原理

很多初學繪畫的人，經常會聽到透視這一概念。在評判一副畫時，常常會提到，這幅畫的透視關系不錯，那幅畫的透視比例不對等等。

世界是三維的，而畫在紙上的畫是二維的。在日常生活中，由於距離和觀察方位的不同，我們看到的人和物的形象，有遠近、高低、大小、長短之分。為了描摹的畫傳達到人眼中仍然具有立體感，就有了我們現在總結的透視原理（這裏的透視指代照相機式的焦點透視）。

可以很好反映透視原理的一幅簡筆畫（圖片來源：veer圖庫）

達芬奇總結的透視有三種：色彩透視、消逝透視和線透視。我們常說的近大遠小，就是這條原理裏的一個重點。

在相機發明之前，西方有不少畫師是在用手還原攝影師的工作，那時候繪畫的任務之一是要能清晰的刻畫這個世界。皇家貴族們為了給自己造個像讓眾人敬仰，多半會雇重金請一個畫師，自己再隆重打扮一番，安穩得像一個木頭人一樣坐上幾個鐘，耐心地等待著畫師完稿。畫師每動一筆，都要確保符合透視原理，保證被畫者身體的美觀勻稱，這樣才能確保傭金入袋。

　符合透視原理的《蒙娜麗莎》和不符合透視原理的畢加索人物畫作（圖片來源：維基百科）

說到底，透視原理是一種科學與藝術相結合的技法，它的存在無非是為了還原這個世界真實的樣子。離我們近的東西看起來就大，離我們遠的東西看起來就小。那麼問題來了，我們可以在現實中發現不符合透視原理的特例嗎？

如果把地球和宇宙各比喻成一個氣球，想象一下下圖，你站在a點，同一塊披薩到底是放在在b點還是c點顯得更大呢？

（圖片來源：小編自制）

我們會想當然地回答：一定是b點披薩看起來更小。對於地球這個靜止的氣球自然是對的，可惜對於宇宙這個氣球而言，是不斷有東西朝它吹氣的，而且在b點和c點的披薩圖像想要給a看需要一定的時間延遲，而延遲的過程中這個氣球又膨脹了。所以，由於地理局限性，一旦將我們的視線放到整個宇宙（逐漸吹起的氣球）裏，奇怪的事情就發生了。。。。。。

這個宇宙有點「大小」失衡

我們的宇宙是一個膨脹的宇宙，使得大部分天體都在遠離我們，使得它們的光譜往紅端移動。我們常用紅移量（z）來大致表示遙遠星體距離我們的遠近（這裏的紅移僅僅是指宇宙學紅移，而不包含天體自身運動的紅移）。紅移越大的星體，離我們越遠。以我們的鄰居仙女座星系來說，若有一只上帝之手不斷將他推離銀河系，我們眼裏看到它的圖景將會是這樣變化的：

　當上帝之手推動我們的鄰居星系M31越來越「遠」，它的大小在我們眼裏如圖片那樣變化（不考慮顏色變化）（圖片來源：作者自繪）

可以看到，剛開始星系遠離我們時，我們看到它確實是越來越小，不過遠到一定程度的時候，怎麼我們眼裏卻反常地變大了？可見，當紅移z大於一定值的時候，我們腦海裏近大遠小的概念崩塌了。

詭異？有趣？還是Amazing？雖然現實情況下沒有一個上帝之手將M31推離我們，但是事件背後的規律是的的確確存在的，這是我們在對宇宙星系大規模巡天得到的結果。

所以，這樣詭異的現象是怎麼發生的呢？

解決這樣一個問題前，我們還要做一個知乎式的發問，當我們看看星系時，我們到底在看些什麼？

是光！是經過千辛萬苦到達地球的光！我們看到的並非是星系本身，而是這個星系的光子在宇宙傳播後匯聚產生的圖像。由於宇宙是不斷膨脹的，所以我們必須擺脫絕對時空的思維來思考問題。

遠處的星系被放大的原理圖（圖片來源：作者自繪）

假設星系兩端各有一個光子朝地球飛來。前來的過程中，兩個光子的空間也會隨著宇宙的膨脹而膨脹。也就是說，光子一邊匯聚到我們這裏，一邊也在相互遠離。所以走的不是直線，而是曲線，我們反推回去的星系形狀，實際是星系被放大的虛像。當天體離我們比較近的時候這個效應不明顯；只有距離相當遠，宇宙膨脹才起作用。堪稱是宇宙版「讓子彈飛一會兒」。

如果不滿足於這樣泛泛的定性回答，這裏還有個定量的解釋。

借由大量天文觀測的結果，我們總結出了很受用的宇宙學原理，這一原理只有短短的一行字：宇宙是均勻且各向同性的。也就是說，在宇宙上的任意一點，以及從這一點的任何方向看過去，看到的景象都是一樣的。也即是說，宇宙沒有中心，從任何天體上都將觀測到完全相同的宇宙演化圖景。當然，這幅宇宙圖景並不是放在地球尺度上用的，真正適用的是宇觀尺度，比擬超星系團大小的尺度。

再結合愛因斯坦的相對論，我們得到這樣一個宇宙時空的度規，宇宙的透視原理，就藏在了裏面。

描述我們宇宙時空的FLRW度規

推導太複雜，有興趣的小夥伴可以自己嘗試推導或是參與評論區討論。看到一兩個公式就頭大的小夥伴們只需要記住，利用FLRW度規推導的天體視角與紅移的關系，最後一行的θ就是我們看到的視角（在大院後台回複「宇宙透視」，獲取θ相關公式推導過程）。感興趣的小夥伴可以戳這裏：宇宙在膨脹，人們是怎麼發現的？

誰改變了宇宙的透視效果？

既然我們已經發現了這一違背近小遠大的規律，那麼，有沒有什麼是影響宇宙透視效果的因素呢？那我們還得聊一聊宇宙的組分。

我們接觸的世界雖然看似物質種類紛雜，但基本都可歸類為重子，也就是我們俗話說的普通物質。如果把宇宙比喻成一塊披薩餅，這類的普通物質卻只占宇宙的5%左右，另外的25%是暗物質，這30%可以統稱為物質項，因為它們都會參與引力作用相互吸引，來抑制宇宙的膨脹。剩下的70%是我們至今尚且捉摸不透的暗能量，我們只知道它是推動宇宙膨脹的幕後黑手，具體的細節，還是一個未知數。還有一類特殊的組分，它們便是宇宙中的信使——光子，雖然它們在星系形成之前尚且功勳卓著，而演化到如今這一宇宙時仿佛成了一個破落戶，只占了千分之一不到的一塊小角，權且充當這塊大餅的調味劑了。下面的討論我們不妨忽略掉它。