周興健

茫茫宇宙，人類觀測太空主要依賴的是電磁波，電磁波就是光了，光呢又分為可見光與不可見光，事實上，人類觀測宇宙天文現象依靠的大多是不可見光，雖然人眼看不到，但是聰明的人類會製造望遠鏡充當人第二個眼睛，來彌補人眼的不足。

哈勃望遠鏡

17世紀初，意大利天文學家伽利略自己製作了世界上第一臺天文望遠鏡，他利用這臺望遠鏡首先觀測到了土星的光環以及木星的衛星，此時，人類終於知道了在地球之外還存在多種天體，此舉有力的支撐了哥白尼的日心說，否定了托勒密的地心說。而隨後，隨著科技的發展，人類製造的望遠鏡觀測的越來越遠，越來越深。

GN-z11星系

人類依靠哈勃空間望遠鏡觀測到了最遠星系GN-z11星系，通過哈勃紅移法確定了這個星系距離地球遠達134億光年，望遠鏡觀測到的那微弱的光線是GN-z11星系在134億年前發射出來的，到地球這裡已經經歷了134億年，已經非常暗淡。

除了依靠電磁波，人類還可以依靠引力波。

人類探測到最遠的引力波距離地球100億光年，是引力波探測器LIGO/Virgo探測到的兩個黑洞碰撞合併產生的引力波，引力波與電磁波一樣都以光速傳播，所以抵達地球這裡，說明這個引力波已經在宇宙中“遨遊”了100億年了，引力波也是人類繼電磁波之後又一個觀察宇宙的眼睛。

目前人類知道的可觀測宇宙半徑是465億光年，科學家相信這並不是真實宇宙的邊界，宇宙一直處在膨脹的過程中，那些距離地球較遠的星系也會離得越來越遠。

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科學船塢

關於這個問題，我們可以直接給出這樣的答案：

• 目前實際觀測中，我們看到最遠的天體是GN-z11，這是位於在大熊星座附近的高紅移星系，共動距離大約相當於距離地球是320億光年。（至於為什麼用“共動距離”，我稍後會解釋，你可以暫時理解成它距離我們320億光年。）

• 理論上，我們所能觀測的範圍被我們叫做可觀測宇宙，直徑是930億光年，也就是我們可以理論上可以觀測到距離我們465億光年的尺度，可觀測宇宙其實只是宇宙的一部分。

觀測

要了解人類能探測到多遠，實際上，就得先搞清楚：人類是如何進行觀測的？

其實是這樣的，我們大多利用的是電磁相互作用來觀測。說白了，就是天體所發出的光傳播到地球，然後被我們的探測器所捕捉到。其實，我們日常看到東西，也是這樣。我們能看到地面上的一本書，是它反射了陽光，然後光子進入了我們的眼睛裡。

這就帶來了一個問題，那就是我們看到的永遠都是“過去”，原因是這樣的，光的傳播是需要時間的，光速是3*10^8m/s，而所需的時間就是這段路程處於光速。所以，你照鏡子，其實看到的是過去的你，而不是現在的你。

只不過，由於光速是在太快，這速度一秒鐘可以繞地球尺度7.5圈，所以當你照鏡子時，那確實是過去的你，只不過是10^-9秒以前的你，這就讓你覺得好像就是現在的你是一樣的。

時空觀

但是在觀測天體時，光速就不是一個大數字了，就拿我們太陽系來說，距離我們最近的恆星系是比鄰星所在的恆星系，它們距離我們4光年以上。

意思是，光要走完這段路都需要4年多的時間。也就是說，我們如果能看到比鄰星上的事件，那這件事其實是發生在4年多以前的。所以，你發現沒有？在天文上的觀測，其實要結合著時間和距離兩個要素一起看，否則就容易搞不清楚，這其實就是一種新的時空觀，而這些就是狹義相對論所描述的時空觀念。總結下來就是，一個事件是否會被我們觀測到，由於需要經過光的傳播，只有光傳播到了，我們才能看到，光還沒有傳播到，我們就看不到。而光傳播是需要時間的，因此，我們看到的是過去的事件。

宇宙在膨脹

瞭解了這些基本的情況，我們可以來繼續看，如果僅僅是上面那樣也就算了，其實還有一個干擾因素叫做：宇宙膨脹。這是哈勃觀測到的，星系大多都在遠離我們，體現在觀測上，就是星系所發出被我們觀測到的電磁波都發生了紅移現象。

後來，進一步的研究發現，其實這種現象來自於宇宙空間的膨脹，而不是星系自身在運動。當我們觀測到一個天體時，如果它距離我們已經遠超過1億光年，我們就得考慮到宇宙膨脹效應。

這就使得，可能你現在看到它是在這裡，但實際上，由於它是1億年以前的發出的光，而且宇宙在膨脹，所以它現在的距離就離你更遠了，這裡的所謂的共動距離就是排除了宇宙膨脹效應，此時這星系實際距離你的位置。

而我們目前觀測到的GN-z11，它的紅移量z=11.09，計算得到的共動距離就是320億光年，也就是說，它現在的位置是距離我們320億光年的。而我們所看到的的其實是134億年前的它。說白了就是134年前（此時也就是宇宙4億歲時。），它發出的光，經過了134年後，被人類的觀測器觀測到了，所以，我們看到的是GN-z11的134年前的樣子。（所以，我們上文才會強調，在觀測天體時，時間和距離都要考慮在內。）

可觀測宇宙

而GN-z11實際上是我們目前實際觀測到最遠的星系。而我們要知道的是宇宙有138億年的歷史，所以，從宇宙大爆炸那一刻起，宇宙就開始膨脹的，到了宇宙38萬歲時，也就是宇宙大爆炸後38萬年，光子才開始在宇宙中傳播。

（這是由於宇宙的早期，宇宙是不透明的，當時的情況就像是一鍋粒子粥，當時沒有原子，只有一堆比原子更小的粒子，光子也在其中，跌跌撞撞，一直出不來，直到38萬年後，溫度降到2700度，原子結構形成，光子也就開始在宇宙中傳播了。）

所以，如果通過觀測光，我們能看到最古老的光應該是宇宙38萬歲時傳播出來的，這個也要加上宇宙膨脹效應，我們就會得到一個461億光年的距離。

那你可能要問了，可觀測宇宙不是465億光年的半徑麼？

上文我們也提到了，461億光年是宇宙38萬年時開始傳播的，但是還有38萬年的時間是我們通過光看不到的。但並不是說沒有辦法了，實際上，宇宙誕生之初就會產生原初引力波和原初中微子。

引力波和中微子的穿透力極其強，它們並不會被宇宙早期的等離子體所束縛，而是從宇宙誕生之初就在宇宙中傳播，因此，我們只要能夠觀測到原初的引力波或者中微子，那麼我們就可以看到更古老的宇宙，也就是距離我們更遠的天體。當然，

鍾銘聊科學

人類最遠探測到宇宙多深？

其實討論這個話題會讓大家比較喪氣，我們先定個調，根據當前對宇宙的觀測表明，對於遙遠宇宙的某處以外，我們可能永遠都看不到，很多朋友可能會很好奇，我們抬頭就能看到無限遙遠的星星，還有我們看不到的星星嗎？

為什麼我們不是瞬間就看到星星？

要解釋這個問題其實比較簡單，因為肉眼並沒有所謂的“眼光”，只是光子通過晶狀體匯聚到了視網膜，而在這之前光可能已經花了數億年甚至數十億年的時間來到了地球上，只等你回眸的一瞬間，你想想是不是該淚奔？

關於這個瞬間看到星星的問題，天文學家奧伯斯在1823年提出提出過，宇宙是穩態而且是無限的話，應該沒有白天與黑夜之分，因為無限的光子到達地球，不應該是白天嗎？關於這個問題後來有解釋了：

• 宇宙中的天體不是無限的
• 宇宙不是穩態合適加速膨脹中
• 恆星距離地球遠近不一，光子到達有時間差

這三條讓我們得以瞭解到，奧伯斯提出的問題中為什麼有白天黑夜之分了。

我們能最遠能看到那裡？

關於“看”這個定義其實是比較尷尬的，因為我們並不是看到，而是光子到達瞭望遠鏡的CCD或者肉眼，給我們的錯覺就是看到了，但在光子到達前或者還沒來得及到達時，我們就看不到！事情就簡單了，我們只要找出宇宙最早的光子是什麼時候發出的就知道了。

• 可見光波段我們“看”到了多遠的天體？

上圖是2016年3月在“北部星系深空巡天調查”中發現的一個高紅移星系GN-Z11，這是目前觀測到的最古老，最遙遠，紅移值最高的天體，它的紅移值z=11.09，大約位於320億光年以外。它大約形成於宇宙誕生後4億年的134億年前，這也許有些不好理解，但只要各位知道我們現在看到的光是它在134億年前發出的，而現在它已經跑到了320億光年以外即可。

• 可見光波段我們看到的極限距離是多少？

GN-Z11位於134億光年以外（當時），那麼我們能看得更遠一點嗎？答案是肯定的，但宇宙誕生到恆星誕生有一個時間差，GN-Z11可能是最早的星系了，再往前可能就是宇宙的黑暗時代，那我們啥都看不見了？

其實完全不是，因為大爆炸的輝光仍然存在，從大爆炸理論來看，宇宙在誕生的37.9萬年之後光子脫耦才形成了輻射在宇宙中傳播，也就是說理論上來看，大爆炸後的餘暉我們在理論上是可以看到的，如今觀測到的宇宙微波背景輻射就是大爆炸37.9萬年時景象（可見光已經被高速膨脹的宇宙直接頻移到了微波波段）。

大爆炸37.9萬年時，這個餘暉才膨脹到了4200萬年光年，但到如今它已經在距離我們461億光年以外，在大爆炸餘輝的背後，光子是無法穿透的，簡單的說，我們的可見光（電磁波）觀測手段到此為止，無能為力了！

還有什麼技術能穿透大爆炸的餘暉？

答案是肯定的，現代天文除了電磁波這個手段以外，還有中微子，引力波這兩個手段，兩者在大爆炸時誕生的時間不一樣，所以理論上我們觀測到的距離也不一樣。

• 中微子脫耦發生在大爆炸發生有1秒
• 引力在大爆炸後的第一個普朗克時間即誕生

因此假如能觀測到大爆炸誕生的原初中微子，那麼它們將攜帶宇宙誕生約1S時的信息，這可以讓我們摸到了大爆炸的門口了，但要更進一步，也是不可能了，因為這將和電磁波領域碰到的問題一樣。

而引力似乎有兩種說法，前者是引力誕生於第一個普朗克時間，後則是引力子在10^-36S時脫耦，如果是引力子的說法，那麼我們大概在理論上能觀測到大爆炸發生後10^-36S時的狀況，此時距離暴脹已經開始（10^-37S起暴脹，在10^-32S時結束。

當然無論是哪種我們都將窺探到大爆炸發生時的場景，各位激動嗎？終於有一種手段可以摸到大爆炸正在發生的那一刻了。

引力波天文臺？

因此最關鍵的就是引力波天文臺，LIGO和VIRGO探測到了引力波這大家都知道，但這只是黑洞合併的引力波，距離也就1.3億光年，但距離並不是關鍵，而是波長，引力波是一種振幅小，頻率極低的信號，它的波長長度超過想象，比如：

• 超新星引力波波長一般為300米
• 雙黑洞引力波波長几百千米到幾千千米
• 大爆炸誕生時的引力波波長可能高達10光年

大家都知道波長越長天線規模越大，而LIGO的天線規模只有4千米，但各位要知道激光束在這4千米範圍內往復多次以增加距離來變相達到大規模天線，但這不可能一直以此增加距離，必須要更大規模的天線規格，比如正在建設中天琴空間引力波天文臺。

未來的引力波天文臺將以環太陽軌道的規模來探知引力波，這是未來的探測手段，在現在看來這是唯一有可能獲取到大爆炸信息的探測手段。

星辰大海路上的種花家

人類所觀測到的最遠的區域，是哈勃深空視場，距離我們約為133億光年，這個距離可以追溯到宇宙中的早期星系的起源了。不過至於宇宙的年齡和宇宙的範圍甚至宇宙大爆炸，這些都是在推理中。沒有人知道真正的答案！

關鍵字: 不可見光 宇宙 人類