宇宙年齡138億年,可觀測宇宙為什麼是930億光年不是138億光年?

根據普朗克衛星對於宇宙微波背景輻射的最新研究來看,宇宙的年齡是13.799 ± 0.021 x 10^9年,也就是137.99± 0.21億年;至於可觀測宇宙的直徑是930億年。這裡稍微解釋一下可觀測宇宙,意思是人類理論上可以看到的宇宙的大小,它其實只是宇宙的一部分。


之所以看不到無限遠,在於我們是通過電磁波、引力波、中微子等來觀測的,它們有速度上限那就是光速,而光走過的距離等於光速*時間。宇宙年齡就那麼大,因此,我們也只能看到一定的範圍。


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按照狹義相對論的基本假設:光速不變原理。我們通過簡單的推導就可以知道:物質、信息、能量的運動速度是不可能超過光速的。


那問題就來了,為什麼可觀測宇宙的半徑138億光年,直徑276億光年,而是直徑930億光年呢?


如果,我們要歸納總結一下這個問題,大概可以歸納成兩個因素:

宇宙空間的膨脹引力波、中微子的觀測

宇宙空間的膨脹


我們都知道,目前對於宇宙起源的主流理論是大爆炸理論。


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大爆炸之後,宇宙的空間迅速的膨脹起來,這種膨脹效應一直持續到如今,尤其是在距今45億年前,膨脹非但沒有減速,反倒開始加速膨脹了。


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這裡,我們要深刻理解的是“空間的膨脹”。什麼是“空間的膨脹”呢?

它實際上並不指物質、信息、能量的運動速度,而純粹是空間在動。具體該如何理解呢?

我們可以來舉個簡單的例子,假設你有一個氣球,這個氣球上有一個個小點,我們可以把這些小點看成是宇宙中的星系,而氣球表面就是宇宙空間。這時候你逐漸去吹氣球,你就會發現,隨著氣球的膨脹,小點之間的距離也在增大,也就是說,宇宙空間在膨脹,這其實並不是星系在移動,同時星系之間的距離在變大。

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為了方便理解,我們可以再現象一個場景,假設你站在一個地方,周圍以你為圓心建了一個個機場的直行梯,這個梯子的移動方向沿著直徑遠離你的,電梯上有一個個的人。這時候,我們可以把你現象成“銀河系”,把在電梯上的其他人想象成“其他星系”,這時候電梯啟動,你會發現,即使其他人不動,他們也在遠離你,這電梯的移動就類似於宇宙空間的膨脹。


知道了這些,我們就很容易下這麼一個結論,那就是宇宙的膨脹是各個部位的空間都在變大,因此,所有的星系看到其他星系都在遠離自己。

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所以,由於宇宙膨脹效應的存在,我們能看到的尺度其實是會拓寬的。為什麼這麼說呢?

要知道,我們觀測是利用電磁波的傳遞的,可能宇宙大爆炸初期離我們很近的星系發出的光,由於宇宙膨脹的問題,導致它要比原本到達的時間更晚一些到。


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所以,我們可觀測範圍其實要帶上宇宙膨脹效應,通過理論模型一計算,就會發現我們能夠觀測到的理論值是直徑922億光年。



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可能你要問了,不是說好的930億光年麼?那8光年哪裡去了?其實這都怪:光的穿透力不行。


引力波、中微子的觀測

所謂的觀測其實是利用電磁波(光)觀測。但問題來了,宇宙大爆炸初期,整個宇宙就是一鍋粒子湯,光子也混在其中,跌跌撞撞,一直沒辦法穿透出來。一直到了宇宙大爆炸之後38萬年,光子才從當中穿越出來,在宇宙中開始傳播。


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也就是說,剛才說到的觀測範圍其實是從宇宙大爆炸之後38萬年開始的,一直到現在。但是如果加上那38萬年,其實我們理論上能夠觀測到的範圍就會更大一些。但是電磁波是指望不上了,還能靠啥呢?


也就是不會被這鍋粒子湯束縛住的東西,目前我們已知的有引力波和中微子,可能還會有暗物質。



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所以,對於原初引力波和原初中微子的觀測,可以進一步擴大我們的觀測尺度,當然,引力波的傳播速度是光速,而中微子則是低於光速的,它們也同樣需要考慮宇宙空間的膨脹效應,計算下來,這38萬年足夠引力波傳遞4億光年的,換算到直徑上,也就是8億光年,加上之前的922億光年,我們就可以得到可觀測宇宙是930億光年了。


宇宙年齡138億年,可觀測宇宙為什麼是930億光年不是138億光年?


最後,我們來總結一下,可觀測宇宙的直徑是930億光年,這主要是因為宇宙空間膨脹效應的存在,使得通過電磁波我們理論上可觀測到的範圍可以達到922光年,但是電磁波是從宇宙大爆炸之後38萬年才開始傳播的,而我們通過引力波還能夠看得更遠,能夠額外多提供8光年的尺度,所以加起來是930億光年。


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