怎麼理解宇宙直徑是930億光年,而年齡只有138億年?

2020-12-06 天文在線

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。

從現在起,在下圖CMB圖像上看到的每個黃色或紅色凸起,將在138億年後成為銀河的超級星團。同時,宇宙的不斷擴大將導致這些星團變成距我們465億光年。

圖片:宇宙微波背景

(來自普朗克衛星的CMB圖像,有關CMB的更多信息,請參見我的回答:時間可能向後退多遠?)

因此,我們的想法是:如果我們等待465億年,我們實際上應該能夠看到我們現在在望遠鏡中看到的這些超星系團發出的光。但光線才剛剛開始走向我們,要到達還需要些時日,因為它必須來自直徑為930億光年的球體表面-以我們為中心!

不幸的是,我們最終將不會看到那些超級星團發出的光。問題是我們現在知道,由於暗能量的存在,宇宙的膨脹實際上正在以加速的速度增長(實際上,它至少已經加速了30億年)。由於擴展的加速,這些超級星團現在距離我們465億光年,等我們再等待327億年時,它們將以比光速還大的速度從我們中後退。

圖片:星系團Abell 1689以其在引力透鏡現象中彎曲光線的方式而聞名。對星團的研究揭示了暗能量如何塑造宇宙的秘密。

因此,即使我們看到的光已經有138億年的歷史,理論上,至多930億光年的直徑,也只是我們現在可以看到的所有物質的距離(例如CMB圖片裡的情況)。

大爆炸發生後的37.9萬年,在我們超級星團(處女座星團)和銀河系(銀河系)最終發展的空間區域發生了顛簸(密度過大)。你可能想知道,這些凸起最終將出現在多遠的CMB圖像上?好吧,我們可以算出來! CMB處於z = 1100的紅移。宇宙有一個比例因子,它是時間的函數a(t)。紅移與比例因子有關:a(tNOW)a(tCMB)=z+1.

圖片:處女座星團

圖片:銀河系

這意味著CMB圖像上那些凸起的直徑將為930億光年/ 1101,即直徑為8450萬光年。

哇,這裡有很多很長的答案。這是TL; DR版本:宇宙的膨脹速度快於光速。看到了嗎?沒那麼難。

「但是等一下」,你說,「沒有什麼能比光速更快」。這就是答案更長的原因。的確,宇宙相對兩端的兩個星系之間的距離增加速度快於光速,這似乎違反了規則。但是,星系本身在太空中的傳播速度並不比光速快。相反,空間結構在它們之間正在擴張,並且這種擴張不受通常的速度限制。

很難解釋這種豁免是如何合理和自然的,因為你必須了解宇宙並不是真正的三維。讓我以類推的方式進行解釋。想像一下一個不斷膨脹的氣球,上面漂浮著二維生物(我們稱其為「平地人」)。

二維方法具有0厚度,就像在紙上繪製一樣(但更薄;紙張和墨水實際上確實具有一定的厚度)。氣球的表面是平地人的整個宇宙,他們看不到(或構想)表面以外的任何東西;實際上,他們認為自己的宇宙是二維的。 平地人也有速度限制:它們只能以光速移動(兩者是相對的,讓我們不要把問題弄得太複雜)。但是此速度限制僅適用於圓周運動(沿氣球表面移動)。因此,氣球本身可以以比光速更快的速度擴張而不破壞該規則,因為它的擴張不是圓周的。因此,在氣球相對兩端的兩個平地人可以比光速更快地分離,即使平地人自己爬行的速度要慢得多。想像一下平地人的困惑。

我們的情況類似於平地人,只是我們生活在4維球面的3維表面內(或多或少),而不是生活在3維球面的2維表面內。我們將宇宙視為3維的唯一原因是,我們看不到(甚至無法看到)其4維曲率。

相關焦點

  • 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?
    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?假如根據愛因斯坦的光速不可超越理論,那麼138億年前的大爆炸產生的宇宙,即使以上限膨脹,那麼整個宇宙也不過276億光年而已,有何來930億光年呢?這裡你會發現會有兩個問題:宇宙膨脹為什麼可以超過光速?宇宙膨脹為什麼能超過光速?
  • 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
  • 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,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
  • 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。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。
  • 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。
  • 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。
  • 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?
  • 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?
  • 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。
  • 360億光年、930億光年、2520億光年,哪個才是宇宙真實大小?
    ,其他謎團也會得到答案,就比如解開宇宙有多大這個謎團,那麼就可以解開宇宙有沒有外星人、宇宙邊界在哪裡、甚至還可以解開宇宙是如何誕生的、宇宙未來命運如何這些相關聯的謎團,因此人類把這種謎團稱為宇宙終極謎團,而「宇宙到底有多大」就是其中一個終極謎團,由於宇宙有多大是終極謎團,因此人類一直在尋找宇宙有多大的答案,對於宇宙有多大,目前人類已經得出了三個答案,分別是360億光年、930億光年、2520億光年,
  • 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?