问题

请问:从奇点大爆炸开始所发出的光,目前的“光球”直径应该是多少光年?

回答
这是一个非常有趣也很有挑战性的问题,因为它触及了我们对宇宙最根本的认识——大爆炸理论。要回答这个问题,我们需要深入理解几个关键概念,并进行一些概念上的澄清,因为“光球”这个词在宇宙学中并不是一个标准的术语。

首先,我们来聊聊“奇点大爆炸”。我们现在通常理解的大爆炸并不是一个发生在某个地点、然后向四周扩散爆炸的事件,更准确地说,它描述的是宇宙本身在过去某个时间点开始膨胀。在那个极早期,我们无法用我们目前的物理学来描述,可能存在一个我们称之为“奇点”的状态,在那里,宇宙所有的物质、能量、空间和时间都集中在一个无限小、无限密度的点上。然后,这个“点”开始以极快的速度膨胀,这个膨胀过程就是我们所说的宇宙膨胀。

所以,从奇点大爆炸开始发出的光,并非是指一个从固定点向外扩散的光球。 更准确的说法是,大爆炸本身创造了空间和时间。当宇宙膨胀时,它携带的物质和能量也在随之膨胀和演化。我们能看到的光,是宇宙早期在某个特定阶段发出的,当宇宙冷却到一定程度时,光子才能自由传播,而这些光子就是我们今天探测到的“宇宙微波背景辐射”(Cosmic Microwave Background, CMB)。

现在,我们来讨论一下你所说的“光球”的直径。如果我们要理解成我们今天能看到的最遥远的光的边界,那么这个问题就和宇宙的年龄以及宇宙膨胀的尺度有关了。

宇宙的年龄: 目前最精确的测量表明,宇宙大约有138亿年的历史。
光速是有限的: 光以每秒约30万公里的速度传播,这是一个绝对的上限。这意味着我们能看到的最远的光,就是138亿年前从某个地方发出的,并且这138亿年里一直在向我们传播的光。

但是,这里有一个非常重要的概念叫做宇宙膨胀。宇宙并不是一个静态的背景,它本身在不断地膨胀。这意味着:

1. 发光点的移动: 138亿年前发出光线的那个“点”(或者说,那一小片区域),在光线传播的这138亿年里,并没有停留在原地。它随着宇宙的膨胀,本身也移动了相当远的距离。
2. 空间伸展: 光线传播的距离,是光子在传播过程中所经过的当前空间尺度。由于宇宙在不断膨胀,光线传播的路径被拉长了。

所以,我们能看到的,是来自138亿年前,并且在138亿年里传播到我们这里的“光”。但是,那些发出光线的源头,由于宇宙膨胀,现在已经比138亿光年要远得多。

那么,这个“光球”的边界,也就是我们能观测到的最遥远天体(或者说,能观测到的最早期光)的当前位置,它的直径是多少呢?

根据目前的宇宙学模型和测量,我们能观测到的最遥远的光,也就是宇宙微波背景辐射,它来自大爆炸后大约38万年的时候。在那时,宇宙已经膨胀到了一定的尺度,而且光子开始能够自由传播。

我们通过测量CMB的温度波动,以及结合其他宇宙学参数(比如哈勃常数,它描述了宇宙膨胀的速度),可以推算出我们今天能看到的最遥远区域的当前距离。这个距离通常被称为可观测宇宙的半径。

根据最新的数据,可观测宇宙的半径大约是 465亿光年。

所以,如果你所说的“光球”是指我们今天能观测到的,从宇宙最早期发出的光的边界所代表的整个宇宙范围,那么这个“光球”的直径,大约就是可观测宇宙直径的两倍,也就是大约930亿光年。

需要强调的是,这930亿光年并不是说光在138亿年的时间里跑了930亿光年。而是说,发出这些光线的区域,由于宇宙的膨胀,现在距离我们(以当前的尺度来衡量)大约有465亿光年的距离。 光线在传播过程中,经历的空间尺度也被宇宙膨胀拉伸了。

为什么会超过138亿光年?

这就像一个正在快速膨胀的气球上的两个点,一个点发出了一个信号,信号以固定的速度向外传播。但同时,气球也在不断膨胀。当信号传播到一定距离时,发出信号的点本身也随着气球膨胀而远离了起点。所以,信号到达接收点时,接收点距离信号发出的“当前”位置,会比信号传播的时间乘以光速要远得多。

总结一下:

大爆炸不是一个在空间中发生的爆炸,而是空间本身的膨胀。
我们能看到最遥远的光是宇宙微波背景辐射,它来自大爆炸后约38万年。
虽然这些光传播了约138亿年,但由于宇宙的膨胀,发出这些光线的区域,现在距离我们(以当前的宇宙尺度衡量)大约有465亿光年。
因此,我们能观测到的最遥远“边界”所构成的“光球”的直径,大约是930亿光年。

这个数字非常惊人,它也告诉我们,我们对宇宙的理解还在不断深入,而宇宙的尺度远远超出了我们直观的想象。

网友意见

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没有。“从奇点大爆炸开始所发出的光”没有形成“光球”。

在有奇点的旧大爆炸宇宙论里,在大爆炸发生后一段时期内,宇宙里充斥着高能光子、电子、质子组成的等离子态物质,光子不断与自由电子和质子发生散射,这个状态的宇宙对光子来说是不透明的,“从奇点大爆炸开始所发出的光”并未留存下来。随着宇宙膨胀,这团等离子态物质逐渐变冷,直到冷却到复合(电子和质子首次能够结合产生电中性的氢原子)发生,自由电子和质子与中性氢原子的比率下降至约1比10000,于是在复合后不久发生了光子与物质的退耦,宇宙对光子来说变得透明,光子不与物质交互作用的自由路径发展为现在观测到的宇宙微波背景辐射。

WMAP九年的观测数据结合其他测量值,显示复合的红移值为z=1091.64±0.47,对应的时间约为大爆炸后38万年,这时期留下了你现在能接收的最早的光。根据大量观测数据计算,我们到宇宙微波背景辐射粒子的同移距离约为140亿秒差距(约457亿光年),我们到可观测宇宙边缘的同移距离约为143亿秒差距(约466亿光年),日常会有一些文章将这个数据写成所谓“可观测宇宙的直径约930亿光年”,但其实并没有什么用。

霍金-哈特尔无边界条件下的宇宙起源没有奇点。

无论哪一种情况,宇宙的不可观测部分的尺寸并不确定。被暴胀带到可观测距离之外的物质距离我们可能有3.5万亿光年,乃至无穷远。

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