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在地球上,每時每刻都有來自宇宙的光抵達地球。通過天文望遠鏡接收到來自宇宙的光,就能看到宇宙中的天體。不過,我們並不能看到無限遠的宇宙,我們所能看到的宇宙只是整個宇宙的一小部分,這是為什麼呢?
關於這個問題,首先就要說到光速問題。人類對於光速的研究已經有很長的歷史,光速到底有多快長久以來一直困擾著人類。
直到天文學家通過木星衛星的星蝕現象,首次證明光速並非無限快,其速度估計為23萬公裡/秒。隨後經過一系列精度更高實驗的測量,光速的測量變得越來越精確。最終,光速被人們定義為299792458米/秒,即每秒將近30萬公裡。
另一方面,哈勃當年通過星系退行的規律發現宇宙空間正在膨脹。如果把時間倒退回去,宇宙會比現在更小。如果倒退到時間的盡頭,宇宙將會縮小成沒有空間的奇點,這被認為是宇宙的起源。
根據標準宇宙模型以及精度最高的宇宙微波背景輻射數據,宇宙的起源時間估計為距今138億年前。我們的宇宙並沒有存在無限漫長的時間,宇宙形成於138億年前的無窮小奇點。
基於上述兩個事實,我們只能看到有限大小的宇宙。那麼,我們所能看到的宇宙有多大呢?
在過去的138億年裡,光最遠傳播了138億光年。但理論上,可觀測宇宙的半徑估計為465億光年,遠超138億光年。也就是說,空間的膨脹速度超過了光速。但愛因斯坦又說,光速是不能超越的,這是否有矛盾?
事實上,愛因斯坦所說的光速極限是指物體的運動速度或者信息的傳播速度不能超光速。但空間結構本身既不是物體,也不是信息,更不是能量,其膨脹速度可以超過光速。
由於空間快速膨脹,這會讓宇宙中相距足夠遠的星系以超光速互相退行。根據哈勃常數估算,這個臨界距離約為140億光年。
對於140億光年之內的星系,它們遠離銀河系的速度小於光速,它們發出的光最終能夠抵達銀河系,傳播到地球上被我們觀測到。但對於140億光年之外的星系,它們遠離銀河系的速度大於光速。因此,那些遙遠星系發出的光不會朝著我們運動,而是越來越遠離我們,這意味著它們永遠也無法被我們觀測到。
既然如此,為什麼可觀測宇宙的半徑又會達到465億光年?
宇宙誕生之後的最初階段經歷過遠超光速的暴脹過程,這導致宇宙中只有一部分光源的光最終能夠抵達地球。經過138億年的時間之後,最初那些可見光源隨著宇宙膨脹,最遠退行到465億光年之外,這就是可觀測宇宙的邊界。
既然有可觀測宇宙,那就有不可觀測宇宙,最初那些超光速膨脹的宇宙部分無法被我們觀測到。宇宙不可見部分極為浩瀚,遠超可觀測宇宙,半徑估計可達12萬億光年。