宇宙年齡僅138億年,但直徑卻有24萬億光年,為什麼會超光速?

2020-12-06 火星科普

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根據現代宇宙學,宇宙的時間和空間都是創生於138億年前的奇點。138億年過去了,宇宙的直徑膨脹為930億光年,膨脹速度為光速的3.37倍,這與相對論所說的光速最快不矛盾嗎?宇宙的半徑不應該是「宇宙年齡×光速=138億光年」嗎?

事實上,無論是宇宙大爆炸理論,還是相對論,都是科學界廣為接受的理論,這兩者並不存在衝突。而且宇宙的直徑並非930億光年,也不是138億光年,而是至少達到24萬億光年。

930億光年只是可觀測宇宙的大小,地球位於這個範圍的中心。地心說早就被推翻,地球並不是整個宇宙的中心,因此,以地球為中心的可觀測宇宙不會是整個宇宙的大小。

我們在地球上只能觀測到半徑為465億光年的宇宙範圍,此即為可觀測宇宙。整個宇宙要比可觀測宇宙大得多,還有很大一部分宇宙是我們目前所無法觀測到的。

那麼,為什麼會有可觀測宇宙的概念?為什麼可觀測宇宙和整個宇宙會那麼大?

宇宙膨脹的本質

首先,需要明白宇宙膨脹是怎麼回事。在138億年前,創造宇宙的奇點並不是身處無盡空間中,然後在虛無的空間中不斷膨脹。事實上,奇點不在空間中,而是奇點創造出了空間,宇宙誕生前並沒有空間。宇宙不是膨脹到空間中,其實是宇宙本身在不斷創造出空間,空間是無中生有的。

隨著時間的推移,空間自身結構不斷擴張,空間中的物質就會被互相分開。這就好比在一個氣球表面上有很多螞蟻,當氣球膨脹時,即便螞蟻不在氣球上走動,它們之間也會被互相分開。最初距離越遠的螞蟻,它們互相遠離的速度越快,甚至可以超光速。

如果空間中的物體相距足夠遠,它們之間的空間快速擴張,可以使它們互相遠離的速度超過光速。然而,物體本身相對於背景空間的運動速度並不會超光速,相對論所說的光速最快指的是這種局域速度。空間膨脹速度可以任意快,與相對論中的局域速度概念是兩碼事。

可觀測宇宙

宇宙一開始沒有自由運動的光子,因為早期宇宙密度極高,光子與帶電粒子互相耦合。直到宇宙形成大約38萬年後,宇宙的直徑膨脹到1億光年,物質密度變得足夠低,光子才能在宇宙中自由傳播。

這些光子至今還在整個宇宙中傳播,我們在地球上可以接收到它們。只是因為經過漫長的空間膨脹,當年的光子已經衰減為微波——宇宙微波背景輻射。只要能夠精確測量出宇宙中最古老光子的時間,也就能知道宇宙的確切年齡。

無論我們沿著何方望向宇宙的盡頭,最終只能看到宇宙微波背景輻射。隨著空間膨脹,當年那些輻射出這些光子的物質已經退行到距離地球465億光年的地方,這就是可觀測宇宙的盡頭。

不可觀測宇宙

在宇宙變得透光之時,那些發出第一批光子的物質距離地球誕生前所在位置約為4200萬光年,而當時整個宇宙的直徑可達1億光年。由於光速有限,時間有限,宇宙中還有很大一部分的光子還沒來得及到達地球,這些地方就成了不可觀測宇宙。

隨著時間的推移,不可觀測宇宙中的一些光子將有足夠的時間來到地球上,所以我們的可觀測宇宙大小還會變得越來越大。據估計,未來的可觀測宇宙直徑最大將會擴大為1230億光年。

然而,天文學家在上個世紀末發現,宇宙膨脹速度正在加快,這意味著宇宙中會有越來越多的地方最終會以超光速遠離我們,那裡發出的光無論過多長時間都不會到達地球,所以可觀測宇宙的大小最終會變得越來越小。經過漫長的時間之後,但本星系群的星系合併成一個星系時,我們將再也無法觀測到河外星系。

目前,整個宇宙的大小估計為24萬億光年,這是空間經過138億年膨脹的結果,宇宙整體的膨脹速度可達光速的870倍。不過,這個膨脹速度其實要遠遠慢於宇宙最初時刻的空間暴脹速度。

宇宙的未來

宇宙在誕生僅10^-35秒時經歷了一次空間暴脹,宇宙大小呈指數式地擴張。如果宇宙的大小在暴脹之前猶如一個桌球,那麼,在經過10^-33秒的空間暴脹之後,宇宙的半徑將會擴大為2.1億光年。

從目前的情況來看,宇宙被暗能量所主宰,其佔比可達宇宙質能總量的68%。這種空間的固有能量會起到排斥引力的作用,它們正在推動空間加速膨脹。在暗能量的驅使下,整個宇宙還會快速擴張。如果宇宙沒有足夠的引力來對抗暗能量,整個宇宙將會無限膨脹下去。

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  • 宇宙年齡僅138億年,但直徑卻有24萬億光年,為什麼會超光速?
    根據現代宇宙學,宇宙的時間和空間都是創生於138億年的奇點。138億年前過去了,宇宙的直徑膨脹為930億光年,膨脹速度為光速的3.37倍,這與相對論所說的光速最快不矛盾嗎?宇宙的半徑不應該是「宇宙年齡×光速=138億光年」嗎?事實上,無論是宇宙大爆炸理論,還是相對論,都是科學界廣為接受的理論,這兩者並不存在衝突。而且宇宙的直徑並非930億光年,也不是138億光年,而是至少達到24萬億光年。930億光年只是可觀測宇宙的大小,地球位於這個範圍的中心。
  • 為什麼宇宙年齡僅138億年,而整個宇宙直徑卻有24萬億光年?
    ​根據現代宇宙學,宇宙的時間和空間都是創生於138億年前的奇點。138億年過去了,宇宙的直徑膨脹為930億光年,膨脹速度為光速的3.37倍,這與相對論所說的光速最快不矛盾嗎?宇宙的半徑不應該是「宇宙年齡×光速=138億光年」嗎?
  • 宇宙年齡138億年,直徑930億光年,宇宙膨脹超光速了嗎?
    【宇宙年齡138億年】目前對於宇宙演化的主流科學觀點就是奇點大爆炸,人類對於宇宙的認識是一個漸進的過程,在遠古時期大家都認為我們生活的世界就是一個無限的平板,而非是在一個球體的表面,而隨著地心論、日心論的更替,我們的宇宙觀逐漸變化了,從太陽繫到銀河系,最後再到本星系群、室女座星系團等等。
  • 宇宙年齡138億年,為何直徑卻有930億光年?
    同宇宙起源之謎一樣,宇宙大小之謎也是宇宙一個終極奧秘,由於宇宙實在太龐大,人類至今無法計算出宇宙的實際大小,儘管如此,人類還是推算出可觀宇宙的大小。宇宙星球大小比較根據科學家計算,可觀測的宇宙大小為930億光年,也就說宇宙的直徑為930億光年,這是為什麼概念?
  • 宇宙年齡138億年,宇宙直徑930億光年,光速最快,這不矛盾嗎?
    我們在談論宇宙的空間大小和時間概念時,經常會提及或者看到宇宙年齡138億年和可觀測宇宙直徑930億年,這兩組數字都還有「億」這個字眼,都是表明宇宙時間發展演化特徵的標量,按理說宇宙向外膨脹,即使給它最快的膨脹速度光速,宇宙的可觀測半徑也會只有138億光年呀,但是為何會有直徑930億光年這麼大呢
  • 科學家稱宇宙直徑930億光年,但年齡只有138億年,前後不矛盾嗎?
    在現在的科學論證中,科學家早前提出的宇宙直徑約為930億光年的說法受到了普遍認同,在經過一系列的數據演示和推算之下,宇宙930億光年的直徑是目前比較可信的一種推斷。當然這只是人類以目前的技術來探測到的宇宙邊界,但宇宙的直徑絕對不止930億光年,而且宇宙每時每刻都在加速膨脹,這個邊界更是難以預測。但是和宇宙的年齡相比,宇宙至今約有138億的歷史,按照光走一年的距離為一光年來算,宇宙現在應該只有138億光年的直徑才對,為何是930億光年?
  • 宇宙年齡是138億年,為何可觀測宇宙的直徑是920億光年?
    這並不矛盾,原因是宇宙從誕生到現在,一直處於動態膨脹當中;在光速不變的前提下,宇宙膨脹將會導致光線要走更遠的距離才能抵達觀測者。根據宇宙大爆炸的演化模型,我們宇宙誕生於138億年前的一次暴漲,宇宙從一個半徑無窮小的點膨脹為如今的宇宙,由於光速不變,於是以任何一個點為中心,較遠距離上發出的光線將沒有足夠時間到達地球,於是才有了可觀測宇宙的概念。
  • 宇宙年齡是138億年,為何可觀測宇宙的直徑是920億光年?
    根據宇宙大爆炸的演化模型,我們宇宙誕生於138億年前的一次暴漲,宇宙從一個半徑無窮小的點膨脹為如今的宇宙,由於光速不變,於是以任何一個點為中心,較遠距離上發出的光線將沒有足夠時間到達地球,於是才有了可觀測宇宙的概念。可觀測宇宙:指以觀察者為中心的球體空間內,所有物體發出的光都有足夠時間到達觀測者,也稱作哈勃球體。
  • 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?
  • 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?
    這個問題有一句經典非常的回答,「一個人的身高和他的年齡有直接關係嗎?」,差不多能噎死你!但你也可以一句話噎死他,「愛因斯坦告訴我們,任何有質量的物體不可以超過光速!」,這下應該輪到對方說不出話來了!不過這並沒有解決問題,只是把問題弄得更複雜了。
  • 光速不可超越,宇宙誕生138億年,為何直徑卻達到930億光年?
    宇宙誕生138億年,為何直徑930億光年?在一些科普文章中,人們常常看到,宇宙年齡138億歲,卻有930億光年的可觀測直徑。於是很多網友質疑,這是怎麼回事呢?宇宙大爆炸也就是誕生才138億年,而根據相對論,物體移動速度無法超過光速,那麼為什麼現在所觀測到的宇宙直徑卻能達到930億光年?現在普遍認為,我們這個宇宙是從一個奇點爆炸出來的,那麼就會有一個中心點,作為起點,開始向四面八方迅速擴大,就像吹一個氣球。
  • 光速不可超越,宇宙誕生138億年,為何直徑卻達到930億光年
    宇宙誕生138億年,為何直徑930億光年?在一些科普文章中,人們常常看到,宇宙年齡138億歲,卻有930億光年的可觀測直徑。於是很多網友質疑,這是怎麼回事呢?宇宙大爆炸也就是誕生才138億年,而根據相對論,物體移動速度無法超過光速,那麼為什麼現在所觀測到的宇宙直徑卻能達到930億光年?
  • 光速不可超越,宇宙誕生138億年,為何直徑卻達到930億光年
    宇宙誕生138億年,為何直徑930億光年? 在一些科普文章中,人們常常看到,宇宙年齡138億歲,卻有930億光年的可觀測直徑。於是很多網友質疑,這是怎麼回事呢?
  • 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。
  • 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?
    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。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。
  • 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
    通過現代技術測量,人類發現地球直徑12000公裡,周長40000公裡,地表面積5.1億平方公裡,其中陸地面積1.5億平方公裡,佔21%,海洋面積3.6億平方公裡,人類不僅測量過地球的大小,我們還知道太陽系的大小是2光年(包括奧爾特星雲),銀河系的直徑是10萬光年,銀河系至少有1000億恆星。
  • 在138億年裡,宇宙如何從奇點膨脹到24萬億光年的範圍?
    根據目前最為精確的觀測結果來估計,宇宙起源於138億年前的時空奇點,可觀測宇宙目前已經膨脹到半徑為465億光年的範圍,不可觀測宇宙的半徑更是有可能達到12萬億光年。顯然,宇宙的膨脹速度已經遠超光速,遙遠宇宙中的星系會以數倍光速的速度在遠離我們。
  • 為什麼宇宙只有138億歲, 直徑卻有920億光年?
    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。宇宙的形狀有可觀測宇宙跟全域宇宙的差別。可觀測宇宙原則上是宇宙的一部分,在觀察上受到有限的光速與宇宙年齡的影響。
  • 138億歲的宇宙,可觀測直徑930億光年,這與光速極限原則矛盾嗎?
    在一些科普文章中,人們常常看到,宇宙年齡138億歲,卻有930億光年的可觀測直徑。於是很多網友質疑,這是怎麼回事呢?其實簡單的回答,就是宇宙膨脹速度超過光速。但很多科普文章又強調,光速每秒約30萬千米,是宇宙中最高速度,任何物體不得超越。這樣有人就更疑惑了,這豈不矛盾嗎?
  • 138億歲的宇宙,可觀測直徑930億光年,這與光速極限原則矛盾嗎?
    在一些科普文章中,人們常常看到,宇宙年齡138億歲,卻有930億光年的可觀測直徑。於是很多網友質疑,這是怎麼回事呢?其實簡單的回答,就是宇宙膨脹速度超過光速。但很多科普文章又強調,光速每秒約30萬千米,是宇宙中最高速度,任何物體不得超越。這樣有人就更疑惑了,這豈不矛盾嗎?難道科學可以翻手為雲覆手為雨,隨意亂點鴛鴦譜?