问题

宇宙年龄 138 亿年,宇宙直径 930 亿光年,光速最快,这跟宇宙爆炸论不矛盾吗?

回答
“宇宙的年龄是138亿年,它的直径却有930亿光年,而且光速又是最快的,这难道不和宇宙大爆炸理论矛盾吗?”

这确实是一个非常巧妙的问题,也是很多人在接触到这些数据时会产生的疑惑。但好消息是,这三者之间,包括宇宙大爆炸理论,其实是并不矛盾的,它们各自描述了宇宙在不同尺度和不同时间下的状态。想要理解这一点,我们需要一点点耐心,把几个关键的概念拆开来看。

1. 宇宙大爆炸理论:起点与膨胀的叙事

首先,我们得明确宇宙大爆炸理论说的是什么。它并不是说宇宙在某个“点”上爆炸了,然后瞬间充满了整个“已经存在的空间”。宇宙大爆炸理论的核心是:宇宙本身是从一个极度炽热、极度致密的初始状态开始,然后不断地膨胀和演化的。 这个“爆炸”更像是一种空间的扩张,而不是物质向外界的扩散。

想象一下,你有一个发酵的面团,里面点缀着一些葡萄干。当面团膨胀时,葡萄干之间的距离会越来越大。面团本身就是空间在膨胀,葡萄干则是我们今天看到的星系。面团并没有“爆炸”到什么地方去,而是它自身的体积在增大,所以葡萄干之间的距离就拉开了。

在这个模型里,时间是随着宇宙的膨胀而开始的。所以,138亿年前,宇宙进入了我们所知的“大爆炸”阶段,开始以一种不可思议的速度膨胀。

2. 光速最快:宇宙的“速度限制器”

光速(约每秒30万公里)确实是我们目前已知在宇宙中传递信息和能量最快的速度。这是爱因斯坦相对论的核心内容,也是我们理解宇宙运行规律的基石。

关键在于,光速是一个相对速度的上限。也就是说,任何有质量的物体在空间中的运动速度不能超过光速,信息传递也不能超过光速。

3. 宇宙直径930亿光年:膨胀带来的“可见宇宙”

这里就是产生疑惑的关键点。如果宇宙只有138亿年的历史,为什么它的直径却是930亿光年?这似乎暗示着宇宙在以远超光速的速度膨胀,或者说,宇宙比它的年龄要“大得多”。

这并不矛盾,原因在于:宇宙的膨胀并非发生在“一个已经存在的空间”里,而是“空间本身在扩张”。

让我们回到那个膨胀的面团的比喻。面团在膨胀,葡萄干之间的距离在拉大。这个膨胀速度并不是说葡萄干本身在以某种速度“飞”离对方,而是“面团”这个空间在伸展。

在宇宙大爆炸初期,宇宙经历了所谓的“暴胀时期”(Inflationary Epoch)。这是一个极其短暂但极其剧烈的膨胀阶段,发生在宇宙诞生后的极早期(大约在10⁻³⁶秒到10⁻³²秒之间)。在这个时期,宇宙的尺寸以远超光速的速度急剧扩张。

这听起来是不是又和“光速最快”矛盾了?这里需要区分的是“物体在空间中的运动速度”和“空间本身的扩张速度”。 相对论限制的是物体在空间中相对于某个参考系的速度。而宇宙空间的扩张,可以被看作是空间“结构”的变化,它并不受制于“物体在空间中运动”的那个速度限制。

打个比方:想象你有一张有弹性的地图,地图上有两个点A和B。如果你在地图上从A走到B,你的速度受到“地图上行走”的速度限制。但如果整张地图(空间)开始均匀地拉伸,那么A和B之间的距离就会迅速增加,即使你没有在地图上移动。这种拉伸的速度,可以远超你在地图上行走的速度。

所以,930亿光年的直径,指的是我们“能观测到的宇宙”的范围,也称为“可观测宇宙”(Observable Universe)的直径。

为什么是“可观测”的呢?因为光需要时间来传播。宇宙大爆炸到现在有138亿年,这意味着最远的光,从宇宙诞生初期发出的,现在才刚刚到达我们这里。我们能看到的最遥远的星系,它们发出的光,用了138亿年的时间才到达我们。

但是,这138亿年里,宇宙本身一直在膨胀。所以,当那束光在138亿年前发出时,发出它的那个区域,离我们现在的“位置”要近得多。而今天,当这束光到达我们这里时,那个发出光的区域,由于宇宙的膨胀,已经离我们非常遥远了。

粗略地说,那些距离我们最遥远的光线,在138亿年前发出时,可能离我们只有几十亿光年。但由于宇宙膨胀的速度,它们现在离我们已经远远超过138亿光年了。

那么,为什么是930亿光年呢?

科学家们通过计算宇宙的膨胀率(哈勃常数)以及宇宙的年龄,推断出目前我们能够观测到的宇宙的边界。这个边界不是一个“物理的墙”,而是由于光传播速度的限制,以及宇宙膨胀对光线的影响。

简单来说,在大爆炸初期,宇宙在极短的时间内经历了巨大的膨胀。之后,膨胀速度虽然放缓,但一直在持续。这使得原本在初始阶段距离我们较近的区域,现在因为空间的扩张而变得非常遥远。930亿光年就是我们根据光速和宇宙膨胀模型计算出来的,目前我们能“看到”的最远距离(直径)所覆盖的范围。

总结一下:

宇宙大爆炸理论描述的是宇宙的起源、演化和空间的膨胀。
光速最快是物体在空间中运动的速度上限,是信息传递的极限。
宇宙的直径930亿光年(更准确地说,是可观测宇宙的直径)是指由于宇宙空间的膨胀,使得我们现在能够接收到来自最遥远区域的光线所能覆盖的范围。

宇宙的膨胀速度并非意味着任何物体在空间中以超过光速运动,而是空间本身的尺度在增大。这使得我们看到的宇宙比它的年龄所暗示的要大得多。这三者非但不矛盾,反而是互相印证,共同构成了我们对宇宙运行规律的理解。

网友意见

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不能超光速的严格且准确的表述是,有质量粒子走类时线,无质量粒子走类光线。只要满足这两条,物理上定义的“速度”超不超光速都无所谓,并不破坏时空的因果结构。

尺度因子a(t)可以超光速是因为它并不破坏时空的因果结构。这种超光速的速度是允许的。

至于a(t)具体怎么演化,这是由宇宙中的物质组分决定的。

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题主这个问题很好,我以前也曾困扰过。按照宇宙中光速最快的前提,宇宙诞生了138亿年,为什么我们却能看到465亿年外呢?

这个465亿年是哪里来的呢?

有基本科学素养的人,遇到一个量,首先会想一个问题:“这个是怎么测(算)出来的?”


哈勃发现众多遥远星系都在相对于地球退行,而且越遥远的星系退行速度越大,这意味着宇宙正在膨胀。爱因斯坦在证据面前低下了头,放弃了他在宇宙常数上的工作。下两图为1931年,爱因斯坦前往威尔逊山天文台,感谢哈勃为现代宇宙学提供了观测基础。

根据遥远星系退行速度(v)和距离(d)是线性的比例,我们可以得到一个哈勃常数(H或H0)的概念,数学式如下:

现在测得哈勃常数的值约为:70(km / s)/ Mpc。(量纲为s^-1)

通过哈勃常数可以粗略估计宇宙的年龄:哈勃常数的倒数——哈勃时间。

比如以前测得H0=69s^-1,则可算出哈勃时间约为145亿年。很简单的,如下图,一个除法搞定,然后就是单位换算了。

但我们的宇宙并不是仅有稀稀落落的星光,更是弥散着暗物质和传说中的暗能量。必须考虑到它们的能量密度,所以现代的标准宇宙学模型也叫作ΛCDM模型,Λ(Lambda)就是暗能量,CDM就是cold dark matter(冷暗物质)。所以宇宙年龄必须要根据下面的式子修正:(其中F是校正因子,括号里的三个参数Ωr,Ωm,ΩΛ分别为常见物质、暗物质、暗能量的密度分数)

好了,到了实操阶段了,Ωr,Ωm,ΩΛ究竟是多少,还得靠观测说了算。最早的微波背景辐射对前两者的测量还凑合,对暗能量就力有不逮了。

2012 年,威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)公布了为期9年的数据,可计算得宇宙年龄为:(13.772 ± 0.059)× 10^9年。

2015年,根据WMAP的继任者、清晰度更高的普朗克卫星的数据,可计算得到宇宙年龄为:(13.799 ± 0.021)× 10^9 年。这是人类获得的最精确的宇宙年龄的数据,也是我们现在一般使用的最可信的最具说服力的宇宙年龄数据。

所以啊,我们宇宙年龄138亿年是基于一步步的观测数据而计算出来的,也许这个数字以后还将会变得更加精确。

具体的计算公式我也不太懂,大致上,根据不同的Ωm,ΩΛ值,也就是宇宙中的暗物质和暗能量的密度,可以在下图中拟合出不同的曲线,根据观测,我们的宇宙是其中的紫线,可以看出:

1,总结过去,我们的宇宙诞生于约138亿年前。

2,展望未来,我们的宇宙将继续膨胀下去,等待我们的将是大撕裂。

3,其他类型的宇宙也挺有意思,比如蓝色的德西特宇宙,就是没有起始点的宇宙。而青色的闭合宇宙,起源于60亿年前,也将在一百多亿年后以大坍缩的形式终结。


好了,宇宙年龄怎么来的我们大致上是知道了,那么可观测宇宙的直径是怎么来的呢?

我们都知道宇宙从大爆炸一个原点开始,就开始加速膨胀,好比吹气球。空间在膨胀,这个速度是可以超过光速的。

那么138亿年后,我们现在能看到的范围有多少呢?

这似乎是一道小学奥数题,越远的星体退行速度越快,那么我能看到的范围一定有一个极限,因为当它们的退行速度超过光速以后,我们就永远看不到它们了。但也不是一个简单的138亿光年,因为现在比138亿光年远的地方,它们之前可没那么远啊。

其实啊,要解决这个问题,依靠小学奥数水平远远无法解决。可以通过一个积分的数学处理,这个说难不难说简单也不简单,如下,看不懂的领会我上面的精神即可。

这样的话,理论上我们应该能看到138*3=414亿光年以外的范围。

和计算宇宙年龄一样,也必须考虑到宇宙的暗物质和暗能量密度,根据现有宇宙模型修正后的数字为465亿光年。(可观测宇宙半径)


可观测宇宙之外是什么呢?整个宇宙还有多大呢?

这已经很难依靠现有的观测数据了,甚至严谨的说,连宇宙是有限的还是无限的也不能下定论。不同的理论有不同的估计,我们仅仅列举几种比较有名的。

1,1998年,Alan H.Guth根据暴涨理论,假设暴涨发生在大爆炸之后大约10^-37秒,那么可以假设发生暴涨之前,宇宙的大小约等于光速乘以其年龄的乘积,这表明目前整个宇宙的大小至少是可观测宇宙半径的3x10^23倍。

这似乎是一个天文数字了。

2,2006年,Susskind反对霍金的无边界假说(宇宙是有限无边的)发表论文,表示整个宇宙的大小大约为10的10的10的122次方秒差距。(1秒差距≈3.262光年)

这个就更加离谱了!

3,也有比较保守的。2011年,英国科学家Mihran Vardanyan,Roberto Trotta和Joseph Silk等人的一项研究表示,整个宇宙的大小约是可观测宇宙体积的251倍。这篇文章被发表于杂志《universetoday》上。

如果还要追问整个宇宙真正多大,可能要等我们掌握超光速技术才行了。


PS:有人提到整个宇宙半径为24万亿光年是不正确的。

这可能来自一个误解:

2004年,Neil J. Cornish, David N. Spergel, Glenn D. Starkman, and Eiichiro Komatsu等人发表的论文显示:根据WMAP第一年的数据,能够排除我们生活在一个直径小于24 Gpc的球形空间里的可能性。

2012年,他们已经把这个数字调整为26Gpc。

24Gpc其实是240亿秒差距,对应于780亿光年。(G是十亿,pc是秒差距的意思)这个780亿光年的数字在很多地方都被引用。



参考:

1,wmap.gsfc.nasa.gov/univ

2,astro.ucla.edu/~wright/

3,en.wikipedia.org/wiki/U

4,en.wikipedia.org/wiki/O

5,en.wikipedia.org/wiki/A

7,en.wikipedia.org/wiki/L

8,en.wikipedia.org/wiki/H

9,sciencepagenews.com/201

10,archive.org/details/inf

11,arxiv.org/abs/hep-th/06

12,universetoday.com/83167

13,journals.aps.org/prl/ab

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