宇宙才誕生了138億年,為何可觀測宇宙的直徑卻達到了930億光年?

2020-12-16 星球上的科學

人類對於宇宙的認識,其實是一個十分緩慢的過程,從古代科學的「天圓地方」,再到古希臘的「地心說」,最後到哥白尼的「日心說」,推翻了天文學的根本變革,但事實上太陽也不是宇宙的中心。

現在人類已經根據理論得到,我們有著以地球為中心,930億光年的可觀測直徑。但是宇宙大爆炸理論又提出,宇宙誕生於138億年前的一次大爆炸,如果說光速是宇宙速度的上限,為什麼138億年後,宇宙的大小不是138億光年的半徑範圍?這中間是否存在矛盾?

首先我們要從宇宙的誕生開始說起。

早在1929年,著名的物理學家哈勃就觀測到了一種神奇的現象:

這種現象表示:離我們越遠的星系,他觀測到的顏色就越偏向於紅色,於是科學家就鎖定了一些星系,發現這些星系呈現出的紅色甚至越來越明顯的,由此推斷:這些星系正在遠離地球。並把它命名為:紅移現象。

所謂紅移現象最初是針對機械波而言的,即一個相對於觀察者運動著的物體如果離得越遠,那麼它發出的聲音就越渾厚(波長比較長),相反離得越近那麼發出的聲音越尖細(波長比較短)。

之後哈勃通過進一步的觀測,發現地球之外似乎所有的遙遠的星系還有星系團都在遠離地球(觀測點),並且距離越遠,遠離的速度也越快。

最後埃爾德·哈勃得出一個重要的結論:

宇宙正在變大。

然後哈勃做出推理:既然現在的星系和星系團之間的距離是在一直增大,那麼時間往前倒退:它們一開始一定距離非常近。

從這一結論出發,天文學家得出來一個觀點:很久之前,宇宙可能處於一個密度極高,溫度也極高的狀態。

到了1931年,天文學家喬治·勒梅特首次提出了有關宇宙起源的大爆炸理論,他本人把這個理論命名為「原生原子的假說」。

這個理論大致意思是:

宇宙現在正在向外膨脹,假如從時間上進行反演那就說明著宇宙在向內坍塌,這個過程會一直進行到不能再繼續為止。最終宇宙中所有的質量都會集中在一個點,這個點就叫做「原生原子」

而到1948年,伽莫夫對具體的熱大爆炸理論又有了更精確的描述:

他認為在大約150億年前的時候,宇宙只是一個極其微小的點,然後由於某種原因這個點變成了一個溫度極高的「火球」,後來這個「火球」發生了大爆炸,爆炸使得組成火球的物質散落到各處,高溫物質冷卻之後,密度開始降低,就這樣質子、中子等基本物質才誕生。最後經過了不停的膨脹、演變,宇宙就這樣形成了。

當然,如果僅僅靠宇宙膨脹的觀點就推測出宇宙大爆炸的理論,很明顯是沒有說服力的,這就需要更多的證據來支持這個理論。

關於宇宙大爆炸更有力的證據

微波背景輻射起源於熱宇宙的早期,其是溫度近於2.7K的黑體輻射,也被稱為3K背景輻射。

1964年,阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜在使用一臺微波接收器時,無意中探測到了宇宙微波背景輻射。

背景輻射的黑體譜現象表明了微波背景輻射是在極大時空範圍內發生的的事件,而背景輻射的各向同性又說明在不同的方向上,兩個相距非常遙遠的天區之間,存在過相互之間的聯繫,通俗來說就是:

大概大爆炸之後38萬年,宇宙中出現了第一束光,隨著宇宙的膨脹,這束光的能量逐漸降低,直到最後降到了微波頻段。

人們觀測到的微波背景輻射圖描述的就是宇宙早期的狀態。這些輻射對應的溫度剛好是2.7K,這就是宇宙微波背景輻射的由來。

宇宙微波背景輻射為宇宙大爆炸理論提供了強有力的支持。之後,科學家才開始相信宇宙大爆炸理論。

那麼138億年這個精確的數又是如何得到的?儘管對於宇宙的年齡一直都有爭議,因為提出一個理論,總要需要經過無數次的實驗修改才能被廣泛的接受。

宇宙至今存在了138億年,其實這個數據的誕生還是要功歸於哈勃的努力。

哈勃最開始提出的「哈勃紅移」其實就是用來計算宇宙的年齡,他發現當恆星或星系遠離地球時,從地球上接收到的恆星光譜會向紅色的一端移動,反之則會向藍色的一端移動,還得出了紅移會隨著距離的增大而增大,最後總結出了著名的哈勃定律。

計算出哈勃常數,也就得到了宇宙的年齡。

科學家經過長期對哈勃常數的測算加上微波背景輻射的共同測算,得出宇宙的年齡為大約為138.2億歲

那麼問題來了,為何可觀測宇宙的直徑卻有930億年,遠大於138億光年。

值得注意的是,可觀測宇宙不是已經看到的宇宙,我們現在其實還沒有觀測到來自456億光年外的光。這個930億光年的直徑只是根據理論,我們可以看到的宇宙的範圍。

因為930億光年外的光,由於宇宙的加速膨脹,導致我們再也無法接收到這些光線,所以就成了不可觀測宇宙。真實的宇宙大小,要遠遠大於930億光年的範圍。

而宇宙年齡為138億歲,根據哈勃常數計算發現宇宙膨脹速度會導致星系之間的退行速度超光速。通俗來講就是:

因為宇宙超光速膨脹,可觀測宇宙的直徑達到了930億年的範圍,而真實的宇宙大小,要遠遠大於930億光年的範圍。

相對論指出指任何攜帶信息能量的東西都無法超越光速,而宇宙膨脹是空間的膨脹,這個過程中不攜帶任何能量和信息。

所以說宇宙的超光速膨脹並不違反愛因斯坦的相對論,這是因為宇宙膨脹是時空本身的膨脹,並不是物質在膨脹。愛因斯坦的相對論也是是有條件限制的,並有沒指出宇宙中不存在超越光速的現象

結語

宇宙的年齡可以通過哈勃定律並再加上宇宙微波背景輻射就可以計算出是138億年。930億光年只是可觀測宇宙的大小,真實的宇宙還要更大。宇宙的大小遠和宇宙的年齡138億光年並不矛盾,因為宇宙在超光速膨脹。

相關焦點

  • 宇宙年齡138億年,為何直徑卻有930億光年?
    宇宙全景圖雖然人類至今不知道宇宙是怎麼來的,但是對於宇宙的起源建立了一個比較系統的理論,科學家們普遍認為宇宙起源於138億年前的一場大爆炸,從大爆炸開始的那一刻開始宇宙就誕生了,如今距離宇宙誕生已經過了138億年,也就是說宇宙已經138億歲了,除了宇宙起源之謎以外,宇宙的另一個謎團同樣激起科學家們濃厚興趣,那就是宇宙大小之謎
  • 直徑930億光年的可觀測宇宙到底是什麼意思?真正的宇宙有多大?
    證據二:宇宙微波背景輻射。根據大爆炸理論,宇宙大爆炸至今應該還殘留著輻射,而在138億年前,宇宙還處於高溫下,後來又經過了138億年的膨脹冷卻,溫度已經變低了,科學家也觀測到了這個背景輻射,大約是2.7K,與理論吻合。
  • 宇宙直徑達930億光年,根據相對論,為什麼宇宙年齡只有138億年?
    所以最後計算出的宇宙的年齡大約是138.2億年,相對應的可觀測宇宙大小是930億光年。很多朋友將宇宙的大小理解成930光年,但資料中都寫了可觀測宇宙,這非常有意思,我們下文中繼續來簡單描述下。為什麼138億年的宇宙,卻又930億光年的大小?
  • 怎麼理解宇宙直徑是930億光年,而年齡只有138億年?
    造成這種差異的原因是,首先,138億光年本質上是威爾金森微波各向異性探測器(WMAP)和普朗克衛星觀測到的宇宙微波背景(CMB)輻射球體的半徑。因此,該球體的直徑將為276億光年。因為這,我們經常使用/引用的「可觀察」宇宙的直徑變為930億光年。
  • 360億光年、930億光年、2520億光年,哪個才是宇宙真實大小?
    因為宇宙在膨脹啊,由於宇宙在膨脹,180億光年外的宇宙空間在不斷加速遠離,而且是超光速遠離,這些宇宙空間遠離的速度比光速飛船的飛行速度還要快,因此光速飛船永遠無法追上以超光速膨脹的宇宙空間,根據科學家計算,在可觀測的宇宙部分,94%的天體遠離的速度超過光速,因此有人把180億光年定義為宇宙邊界,也就是半徑,由於180億光年半徑,因此可以計算出直徑為360億光年,也就是宇宙大小為360億光年。
  • 宇宙歷史只有138億年,為什麼可觀測宇宙的半徑465億光年?
    後來,宇宙大爆炸理論誕生,我們通過測算哈勃常數,可以知道宇宙的年齡大概是138億年。也就是說,給光傳播的時間只有138億年。 超出這個球面的天體的光應該還在路上,沒有到達地球,我們也把理論上我們能觀測的宇宙稱為可觀測宇宙。那按照這個說法,我們就知道奧伯斯佯謬其實是不成立的,宇宙縱使有無限多的天體,但也並不是所有的光都能傳播到地球上,但問題遠遠沒有結束。 我們現在知道,可觀測宇宙的半徑是465億光年,而不是138億光年。那多出來的部分到底是咋來的呢?
  • 宇宙的年齡只有138億年。為什麼可觀測宇宙的半徑是465億光
    現在我們已經知道了地球、太陽系和銀河系的大小,但是我們無法測量宇宙的真實大小,因為宇宙太大了,我們甚至認為宇宙幾乎是無限的。銀河系直徑為10萬光年雖然我們無法測量宇宙的實際大小,但我們仍然給出了一個可觀測的大小。所謂可觀測宇宙是以空間望遠鏡發出的最遠恆星光的距離為半徑計算的宇宙面積。
  • 年齡138億歲,直徑930億光年,你所了解的宇宙真是這樣的嗎?
    宇宙真是像你了解的那般嗎?直徑930億光年,年齡138億歲?現在人類已知在宇宙中光速是最快的,而且宇宙的年齡大約是138億歲左右。肉的直徑大約是930億光年。而且研究宇宙的年齡,對於研究宇宙學嗯,是重要,而且它是宇宙模型裡的一個重要對比材料,準確的知道宇宙年齡,有助於人們了解宇宙的起源以及宇宙演化的過程,我們都知道宇宙年齡是138一歲左右,那麼這個數字究竟是如何得到的呢?
  • 為什麼說觀測到930億光年遠,而宇宙卻是138億年前誕生?其實很簡單
    因此,離我們更遠的物體後退的速度似乎比單純的膨脹率外推會更快,這是因為我們的宇宙不僅包含物質和輻射,還包含暗能量。膨脹率隨時間變化的方式取決於宇宙是由什麼組成的。在大爆炸後的頭幾千年裡,輻射佔主導地位。在那之後的數十億年裡,物質主宰一切。而今天,是暗能量。但是在大爆炸之前,宇宙以指數級的速度膨脹,這使得宇宙變平,並在任何地方賦予它均勻的性質。這是在宇宙膨脹時期。
  • 930億光年外是宇宙的邊緣嗎?
    宇宙到底是有限還是無限的,這個謎團已經困擾人類幾百年甚至上千年,人類一直找不到確切的答案,歸根到底是因為人類實在太過於渺小了,按照人類目前的文明發展程度,要想探索宇宙的實際大小,就好比叫螞蟻去測量太平洋的大小,幾乎是不可能完成的任務。
  • 可觀測宇宙直徑940億光年,它獨佔100億光年,是目前宇宙最大結構
    這個巨大的銀河系,直徑達到了10萬光年,更是人類無法企及的距離。可是,在宇宙中,還有一個更加巨大、更加驚人的結構,其尺度大到連銀河系都顯得微不足道,那就是武仙-北冕座長城(Hercules-Corona Borealis Great Wall)。 用震驚來形容人類知道它尺寸時的心情,一點都不為過。
  • 可觀測宇宙到底指什麼?真正的宇宙有多大?
    大部分科學家都不喜歡那些飄渺無限的東西,目前的主流觀點認為宇宙誕生於138.2億年前的奇點大爆炸,隨著漫長時間的演化,目前的可觀測宇宙直徑已經達到了930億光年,從這個理論可以找出時間和空間的起點
  • 宇宙直徑長達930億光年,人類如何定位地球在宇宙中的位置?
    在宇宙中確定位置是非常困難的一件事,和地球不一樣,宇宙實在是太大了,宇宙中既沒有上下左右可以讓人類來表示方向,沒有東南西北可以讓人類表示方向,那麼在宇宙中我們究竟該使用怎樣的方法來定位呢?或者簡單一點,我們如何確定地球在宇宙中的空間位置。根據現有的技術和理論,從太陽系來說,我們認為地球是太陽系內側第三軌道上的一顆行星。
  • 距離地球100億光年,科學家發現直徑10光年的「宇宙牆」
    長城式宇宙牆我們知道銀河系和仙女座星系等其他星系組成了直徑1000萬光年的本群星系。本群星系又隸屬於室女座超星系團,其直徑約1.1億光年。在我們的可觀測宇宙中,星系網絡構成的宇宙結構往往不超過12億光年。而三年前新觀測到的星系群結構直徑卻達到了13億光年。
  • 930億光年的宇宙有什麼?除了行星還是行星,外星文明真的存在?
    人類在這些年的快速發展中,對宇宙的探索有了很多突破性的發現,曾經的人類對宇宙一無所知,盲目自大,認為人類已經是世間最強大的生物了,但是人類在對宇宙進行探索的時候,才發現自己有多麼渺小,放眼整個宇宙,人類宛如塵埃一般,太陽系在整個宇宙中也顯得微不足道,況且人類當前可觀測到的宇宙只有930
  • 宇宙的直徑真的是930億光年?研究員:那只是它的冰山一角
    一直到一個叫做哥白尼的人出現了,「地心說」才第一次迎來了挑戰。哥白尼表示,地球並不是宇宙的中心,太陽才是,哥白尼還提出了日心說的理論,表示地球等天上的一切,都圍繞著太陽進行旋轉。當然,「日心說」在我們看來也是不準確的,可是在當時卻猶如一個重磅炸彈,毀掉了人們相信數千年的「真理」。
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