為什麼宇宙只有138億歲,直徑卻有920億光年?

醜小吖



普朗克衛星的數據將宇宙年齡精確到了138.2億年,目前的可觀測宇宙也就是哈勃體積直徑為930億光年,也就是以地球為中心半徑465億光年的球形空間,迄今為止我們看到的一切天體都在這個範圍內。

需要明確的是930億光年只是人類可觀測宇宙的大小,這個範圍之外還有龐大的未觀測宇宙,只不過礙於光速限制那裡的光還沒有飛到地球上來。

現代宇宙學認為138.2億年前的那場大爆炸使得宇宙空間本身出現了超過光速的暴漲,甚至直到今天我們的宇宙仍然在加速膨脹之中,由於這種空間膨脹是不受相對論制約的,因此可觀測宇宙才能變得這麼大。

狹義相對論中的質能方程只約束了靜止質量不為零的物體,宇宙空間本身的膨脹完全可以無視相對論制約,確切的說相對論只能約束空間內的物質而不是空間本身。

在可以預見的未來,星系之間的距離會因為空間膨脹而越來越大,理論上如果宇宙一直膨脹下去的話就會出現大撕裂現象,也就是說空間膨脹的力量將撕碎每一個原子從而徹底的毀滅宇宙。

宇宙的年齡和大小並沒有什麼必然的關係,就好像一個人的年齡和身高體重沒有必然關係一樣,現在15歲的孩子都能長到一米八了。


宇宙探索未解之迷


大爆炸理論目前最主流的宇宙模型,認為我們的宇宙誕生於大約138億年前的奇點大爆炸,隨後宇宙不斷膨脹,到現在可觀測宇宙的直徑至少已達920億光年。

宇宙才誕生138億年,可觀測宇宙的直徑怎麼就能高達920億光年呢?豈不是違背了愛因斯坦的相對論?這是一個讓很多人感到困惑的問題。

實際上,要弄明白這個問題,關鍵在於弄明白宇宙膨脹的一個要點——宇宙膨脹並不是宇宙在空間中膨脹,而是空間本身在膨脹。

而相對論中所謂的光速是宇宙中最快速度,指的是物體在宇宙空間中的運動速度無法超越光速。

也就是說,相對論中的光速限制對宇宙空間本身的膨脹而言是無效的,宇宙空間的超光速膨脹並不違反相對論。尤其是在暴漲時期,宇宙的膨脹速度達到了不可思議的程度——宇宙空間幾乎一瞬間就在線性尺度上至少膨脹了10的26次方倍。

所以,儘管宇宙才誕生138億年,但空間本身的超光速膨脹使得可觀測宇宙的直徑高達920億光年。

若要問宇宙空間的膨脹為什麼能超光速,最好的答案或許是——The universe itself can do whatever the hell it wants to do !翻譯過來就是宇宙他媽想幹嘛就幹嘛!


三體迷


簡單說,因為宇宙一直在超光速膨脹,所以宇宙的直徑會達到920億光年,而宇宙年齡只有138億年!

按照相對論的觀點,光速不可超越,宇宙138億年的時間即使以光速膨脹,直徑也只有138億光年,但實際直徑遠遠超過138億光年!

實際上,光速不可超越愛你不是絕對的,是有前提的,這個前提就是任何具有靜質量或者攜帶信息的物體都無法超越光速,言外之意,只要不是這兩點都可以盡情地超越光速!

而宇宙膨脹實際上就是空間的膨脹,虛空的衍生,空間膨脹本身不傳遞任何信息,所以可以超光速膨脹,這種超光速主要體現在更大尺度,比如星系之間,甚至星系團之間,小範圍內比如我們的地球和太陽系很難體現出來,還是引力佔據統治地位!

具體是如何膨脹的呢?舉個形象的例子,有三個人,甲乙丙,乙以10米每秒的速度遠離甲,丙以10米每秒的速度遠離乙(同一個方向),那麼丙遠離甲的速度就是20米每秒,而且人數越多,最後一個人遠離第一個人的速度就越快!

當然這只是一個形象的理解方式,現實中我恩無法做到如此的運動方式,但空間的膨脹確實可以做到!所以可以超越光速很多倍!


宇宙探索


答:這是宇宙膨脹理論,利用哈勃定律計算出來的,不一樣的原因主要是因為宇宙在膨脹。


這裡面有幾個誤區:

首先900多億光年,指的是我們目前可觀察宇宙的直徑,並不是宇宙的真實直徑。

假如宇宙是不膨脹的而是穩定的,宇宙從誕生到現在都是一樣的直徑,那麼宇宙年齡就應該和當前的可觀測宇宙直徑一樣,因為我們能觀測到最遠的距離,就是宇宙年齡對應的光傳播的距離。



但是目前的宇宙學模型告訴我們,宇宙是膨脹的,所以遙遠的光向地球傳播而來時,這個光子已經走過的路在發生膨脹,所以我們能看到的最遠距離的光,比如138億年前的光,它在138億年前的位置,已經發生了膨脹,所以這個距離要遠於138億光年,根據哈勃定律算出來就是900多億光年。


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艾伯史密斯


138億年、絕對膨脹不了930億光年的範圍、也就是138億年、爆炸出來的星星飛不了半徑465億光年那麼遠、因為爆炸後、星星是四面八方像煙花那樣子散開分裂的、所以,、

我們可以理解為一個星系星團各自爆炸了一次或者幾次、那麼就無需強求138億年星星飛465億光年的距離了、因為實在飛不了那麼遙遠、

我們理解一個星系星團各自爆炸了一次、還好解謎團、比如銀河系中心爆炸了一次、獅子座爆炸了一次、其它星系各自爆炸了一次、銀河系爆炸出來的星星在銀河系、獅子座爆炸出來的星星在獅子座範圍、這樣子的解釋稍微滿意嗎?

138億年前、太陽和地球在銀河系中心由於爆炸、被分裂分散開來、經過138億年的飛行、我們才飛到距離銀河系中心2.5萬光年的距離位置!

計算下、2.5萬光年的距離、138億年的時間、求得飛行速度!因為感覺138億年也只能飛2.5萬光年了、哪裡能飛幾百億光年、除非是光速的幾百倍、但是科學家沒發現公轉那麼快的宇宙天體!!包括流星、、


太陽系長兼地球名譽球長


關於這個問題,有些人可能會這樣反問:“為什麼小明只有15歲,但身高卻有1.8米?”會這樣問的人,其實是完全不清楚宇宙演化是怎麼回事。

相對論告訴我們,任何物體的運動速度都不能比光速更快,這意味著年齡為138億年的宇宙,當年從奇點開始膨脹至今的半徑不應該超過138億光年。然而,事實上,宇宙的範圍遠遠比這個更大,僅可觀測部分的半徑就有465億光年,而不可觀測部分可能高達十幾萬億光年。那麼,這究竟是怎麼回事呢?

為解答這個問題,需要知道宇宙是如何變得越來越大。宇宙變大源於空間本身的不斷膨脹,而不是宇宙在一個無限空間中不斷變大。空間不斷無中生有,這就會使得宇宙越變越大。相對論限制物體在空間中的運動速度不能快於光速,但不限制空間本身擴張的速度超過光速。

想象一下,假如隨著空間膨脹,每隔一秒距離增加一倍。那麼,原先1米的距離在空間膨脹後變為2米,膨脹速度為1米/秒;原先10米的距離在空間膨脹後變為20米,膨脹速度為10米/秒;原先100萬千米的距離在空間膨脹後變為200萬千米,膨脹速度為100萬千米/秒,這已經遠超過光速。正是由於空間的持續膨脹,宇宙才在138億年裡膨脹到如今巨大的規模。


火星一號


這問題對於很多人最大的困惑,無非是138億年,930億光年,以及光速三者之間似乎存在無法理解的矛盾。

我們很多人都疑惑:宇宙的半徑=宇宙年齡×光速,得出的直徑272億光年,這樣求出的直徑不對嗎?

為什麼宇宙直徑不是272億光年,而是920億光年?

這樣的矛盾,其實是我們對宇宙的膨脹根本沒有實質性的理解。

下面,請身臨其境地想象我給你的草地,你會理解宇宙怎麼個膨脹法了。

272億光年的宇宙怎麼膨脹的?

272億光年的直徑,實際上只是一種宇宙邊緣不斷擴張的結果。

這如何理解?

這相當於你站在一個足球場的中心,你按特定的速度走向邊緣。

把你離開中心開始走動的那一刻類比宇宙大爆炸,大爆炸的中心就是你足球場的中心。

從你到足球場邊緣的過程中(宇宙膨脹),整個足球場的草地始終不動(比如一棵小草和另一個棵小草的距離始終保持不變),走到某一處邊緣(宇宙的邊緣),假如你測得你距離你離開的足球場中心距離為d=13.7米。

這樣類比得出的宇宙,就是宇宙空間本身並不膨脹,只是它的邊緣在擴張。

920億光年的宇宙如何膨脹?

還是同樣的足球場,你還是以同樣的速度走向原來的邊緣,如果足球場的草地仍然是靜止的,那麼當你走到上次的那個邊緣,你距離足球場的中心仍然是同樣的距離d=13.7米。

但是假設你第二次去走這個足球場的時候,球場中心有一個能用腳踩的按鈕,這個按鈕被你一開始踩在了腳下,只要你開始走動,按鈕就會彈起(宇宙大爆炸)。

這個按鈕能使整個草地擴張(宇宙膨脹),而不只是邊緣擴張(原來的兩棵小草間的距離變大了)。



假設這個草地的“動”,還是趕不上你的腳步,你最終走到了你第一次的那個邊緣(宇宙的邊緣),那裡也多出了一個腳踩的按鈕,你踩住了它,草地停止了“動”。

這時候,你測量一下你離足球場的中心,距離可就不只是d=13.7米了,很可能是另一個d=46.0米。

這個就可以類比整個宇宙都在膨脹。

結語

這樣一個很貼近現實的例子,我覺得能解答你的疑惑了。

實際上,我說的那種草地的“動”,類比宇宙的動,就是宇宙空間本身的膨脹,這個膨脹在整個宇宙都在發生。

包括你的身體,你的左耳朵和你的右耳朵距離在變大,你左邊的眼睛和右邊的眼睛距離也在變大……只是這種效應在宇宙的小尺度上太微小了。

為什麼我們會觀察到星系在遠離我們?事實上,星系並沒有動,是空間膨脹,拉開了我們之間的距離而已。

這種宇宙的“動”,在天文學上有專門的一個一個名詞描述,即共動,它對應的距離,就叫共動距離。


上面箭頭的紅方框地方,就是我們現在的宇宙。

科學新視野


如果按照歐洲航天局公佈的普朗克衛星在2013年的觀測數據,宇宙膨脹的哈勃常數是67.80±0.77(km/s)/Mpc,以此推算宇宙年齡是147億年(是哈勃常數的倒數)。

所謂可觀察宇宙就是人類子孫後代一直觀察下去可觀察到的宇宙規模。

根據宇宙大爆炸理論,宇宙大爆炸瞬間是超光速膨脹的,因為宇宙大爆炸瞬間的光,被所謂的等離子湯掩蓋,對光是不透明的,在這段時間光穿不出來,所以按哈勃常數反推,宇宙規模顯然超出宇宙的年齡的。

這段時間的暴漲的宇宙體積不能按常規係數推測,超出人類認知的物理規律,完全不確定。所以根據大爆炸理論,宇宙規模可能超出宇宙年齡不知道多少倍,這個數字人類目前難以預料。

如果是在宇宙大爆炸後到現在,宇宙停止膨脹、也不收縮。那麼宇宙可觀察半徑可能就是任意的光年,超出人類預知範圍。

但是,宇宙大爆炸在形成現在的宇宙規模後,人類觀察發現宇宙依然在快速膨脹,膨脹速度與距離成正比 ,這數字就是宇宙膨脹的哈勃常數。

現在支持這個理論的科學家認為宇宙膨脹速度可以不受超光速的限制,所以按照這個推理,人類以後能觀察到的比遠處147億光年更遠的星球物質是在不斷遠離我們,他們越遠越有可能超出光速,如果這些可觀察星球物質,一旦超出光速,那麼這些星球物質的光就永遠到不了地球了,所以我們人類實際的可觀察宇宙半徑是有限的。

這個距離就是根據距離和速度的光速平衡點等數據推算的。半徑465億光年就是這樣推算出來的。

就是說等到大約318億年後,人類可觀察的宇宙規模會達到峰值。就是465億光年遠的星球也能被人類觀察到。但是過了大約318億年後,假設宇宙仍然一直在膨脹,那麼可觀察宇宙就會開始變得越來越小,等到某個時候,最後會只剩下地球自己,連月亮也會看不見。



維度開拓者


我想我們每一個人都很想知道我們身處其中的宇宙究竟有多大,又究竟存在了多少年,宇宙到底有多大?到底有多少歲?這是人們都愛問的問題。

我相信可能很多人當同時被告知宇宙的年齡為138億歲而宇宙的直徑有930億光年時可能會發出這樣的疑問:“這麼說不是自相矛盾的嗎?”按照我們常人的理解,我們的宇宙是在一場大爆炸中誕生的,從大爆炸到今天已經過去了138億年,這是因為科學家們發現大爆炸產生的光子,經過了長達138億年的飛行,最終被我們發現了,但是與此同時,科學家們又在告訴我們,宇宙的直徑可能足足有930億光年,那麼這到底是怎麼回事呢?

其實這裡提到的宇宙的直徑,應該是指的是可觀測宇宙直徑,也就是說,以地球為中心的話,可觀測宇宙的半徑有465億年。這麼一說倒是有點奇怪了,科學家不是一直告訴我們,宇宙中最快的速度就是光速,那麼大爆炸之初產生的光子,飛到現在不也就經過了138億年嗎?也就是說,大爆炸產生的光子,距離我們最遠是138億光年,所以按道理來說,我們可觀測的宇宙半徑,應該就是138億光年,而不是465億光年。

為了解釋這個問題,科學家提出了宇宙膨脹的概念,我們的宇宙最初從一個奇點經過熱核爆炸後就一直處於極速膨脹的狀態,而且膨脹的速度也是越來越快。實際上,現在宇宙的膨脹速度,已經超過了光速,儘管光子飛行的時間是138億光年,它卻能跨越465億光年的維度,這都是因為宇宙膨脹導致的。宇宙膨脹的速度雖然超越了光速,但是這並沒有違背相對論,因為宇宙膨脹本身是不傳遞信息的,所以跟一般的物體運動是不同的概念。



有一點需要搞清楚的是,我們說到的宇宙的可觀測半徑為465億光年,這並不意味著我們真的可以通過望遠鏡看到距離地球465億光年外有什麼,我們能夠用望遠鏡看到的最遠距離,就是138億光年。可觀測宇宙,簡單來說就是以觀測者為中心所能觀測到的宇宙範圍。測量宇宙的可觀測範圍,那當然不能真的用望遠鏡觀測,實際上這個數據是計算出來的,科學家通過測量宇宙微波背景輻射粒子的紅移量,計算出了宇宙的可觀測半徑。不過呢,在這個範圍之外到底是什麼呢,是宇宙還是不是宇宙,這倒是一個困擾科學家很多年的問題。


鏡像科普


問題的關鍵在於,忽略了宇宙的整體膨脹。

先來說說宇宙年齡的測定:

對於宇宙年齡的精確測定,首先還要感謝來自於美國的兩位科學家,威爾遜與彭齊亞斯,1964年,他們倆在改造地面天線系統時,意外的發現了宇宙微波背景輻射,後來俗稱3K輻射,簡稱CMBR。

什麼是宇宙微波背景輻射,可以看做為嬰兒宇宙時期的第一縷光線,當時的宇宙溫度稍稍降低,空間稍稍變大,光線得以傳播,亦可以稱之為宇宙大爆炸的餘暉。

所以,只要精確的描繪出宇宙的背景輻射,那麼便可以精確的測定年齡,經過了幾代望遠鏡的努力,終於將宇宙年齡更精確的測定為138.2億歲。

再來說說為什麼可觀測宇宙直徑為930億光年:

對於觀測範圍的測算,需要人類接收到來自於更遙遠宇宙深處的光線,通過對光的紅移值,以及哈勃發現的星系紅移,以及之後得出的哈勃常數、哈勃定律、退行速率,便可以得知人類接收到的最遙遠的光線的光源,現在它究竟距離我們多遠,也就是共動距離。

可觀測宇宙的半徑465億光年就是得出來的共動距離,何謂共動距離,簡單點說,隨著宇宙的快速膨脹,它們之間的距離會迅速變大,並且,按照哈勃常數來看,在距離地球很遠的地方,那裡的星系隨空間膨脹遠離地球的速度超過了光速(並不違背相對論。)

所以,宇宙的直徑才變得如此之巨大。


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