為什麼宇宙的年齡是 130 億年,而我們卻能看到 470 億光年遠?

2021-01-18 宇宙天文

宇宙的年齡約130億年,可觀宇宙半徑約為470億光年。資料在維基百科等很多地方都可以查到。我只是不理解如果光速不可超越的話,怎麼會在130億年時間裡產生了470億光年的距離,並且是人類可觀測到的,也就是說還有更遠的東西我們目前還無法觀測得到呢。求一個通俗易懂簡單的解釋。


答案其實就在題主自己的題註裡的這句話:「我只是不理解如果光速不可超越的話」,英文是「Nothing is faster than light」,這裡的「Nothing」對應的是「Empty Space」,相對論中的Nothing can't move through space faster than light,但是你不能阻止space自己膨脹,問題要求的是一個通俗的解釋,那麼這麼來看。


這是一條非常非常長的路,即便是在沒有霧霾的時候,你也根本無法看到底在路的兩邊,每隔1米站著一個人,接下來,想像一下路(注意,是路)膨脹,然後你會看到兩邊的人都在迅速的遠離你,然而並不因為他們自己移動了,而是他們腳下的路伸長了。讓我們假設你是0號人,你的左邊是-1號,-2號,你的右邊是1號,2號:



試著問自己:如果1號人遠離0號人也就是你,那麼是否意味著1號人離2號人越來越近了呢,不是的,1號人和2號人之間的空間也經歷了同樣的膨脹!而這就說明,現在的1號人離你2米(之前離你1米),2號人離你4米(之前離你2米)同樣的也適用於-1號人和-2號人等,最遠的7號人離你有14米之多(之前離你7米)對於1號人:2-1=1米,2號人:4-2=2米,7號人:14-7=7米。



也就是說,離你越遠的人,他們跟你距離的增益越大,為方便理解,可以簡單記為空間膨脹的速率越大。現在你正在這樣的奇怪的路上開著車,你明確的知道自己的目的地在哪,可是隨著旅程的進行,你突然發現,怎麼開不完了,路越來越多。

圖片來自car on the acceleration road


而且更為可怕的是,之前還在你前面的車子,突然無法看見了。無論你以多大的速度去追趕,你都看不到了,因為你車下的路在不斷膨脹。,因為宇宙的空間無處不在的膨脹,在138億年前發射出光線的物質早已遠離我們而去(注意我們上面車子的類比),實在是遠的不能再遠了(遠大於460億光年)

圖片來自https://www.youtube.com/watch?v=XBr4GkRnY04


但是,由於我們之間的空間也在不斷膨脹(注意上面0號小人的類比),當我們之間的空間膨脹到可以看到138億年前物體發射出的光時


圖片來自https://www.youtube.com/watch?v=XBr4GkRnY04


這時,以我們為中心到以我們能看到的最遠的物質的距離為半徑,做一個球體


圖片來自https://www.youtube.com/watch?v=XBr4GkRnY04


叫做particle horizon(粒子視界),或者叫做可視化宇宙,可觀測宇宙,而這個半徑就是460億光年,直徑是930億光年。


圖片來自https://www.youtube.com/watch?v=XBr4GkRnY04


可觀測宇宙是一個以觀測者作為中心的球體空間,小得足以讓觀測者觀測到該範圍內的物體,也就是說物體發出的光有足夠時間到達觀測者,截至2013年對宇宙年齡最精確的估計是137.98±0.37 億年,但由於宇宙的膨脹,可觀測宇宙的半徑並不是固定的138億光年。人類所觀測的古老天體當前的距離比起其原先的位置要遙遠得多(以固有距離來衡量,固有距離在現在的時點和同移距離是相等的)現在推測可觀測宇宙半徑約為460億光年,直徑約為930億光年,根據宇宙學原理,從任何方向到可觀測宇宙邊緣的距離大致是相等的。


我知道很多同學是不能滿足上面的解答的,首先因為我是搞電池的(WTF,這是什麼專業?)當然更重要的是沒有講哈勃定律,沒有這個大牛,宇宙膨脹的故事遠遠不夠,根據哈勃定律(Hubble's law)我們得以明白,宇宙的空間是不斷膨脹的。


2013年3月21日,從普朗克衛星觀測獲得的數據,哈伯常數為67.80 ± 0.77 千米每秒每百萬秒差距(67.80 ± 0.77 km/s/Mpc),我們知道,3.26 light-years(ly光年)=1 parsec (pc,秒差)=3.085×10^(16) m,那麼1Mpc(百萬秒差)=3.26×10^(6) ly,也就是326萬光年,所以距離觀測者326萬光年的星系正在以6.78×10^(4) m/s的速度遠離,這只是距離326萬光年的,那麼我們可以看看距離觀察者138億光年的星系遠離速率有多大。



已經比較接近光速




那麼距離觀察者200億光年的星系的遠離速率



已經超過光速了,那麼距離觀察者460億光年的星系呢



妥妥的超了光速,一個光子被物體發射出後,在一個膨脹的宇宙中,它和發射它的物體之間的遠離速度可以表示為




上式中,c是光速,H是Hubble Parameter(哈勃參數),x(t)是光子和發射它物體之間的距離,稍微走一個變換




初始條件是x(0)=0,所以有




前面算過了,1Mpc(百萬秒差)=3.26×10^(6) ly=3.085×10^(19) km

把哈勃參數的單位換成[1/s] 那麼




好了,我們知道了哈勃參數的數值,知道宇宙的粗略年齡138億年。把已知條件代入x(t)的表達式中,可以得到




也就是231億光年,但是這個數值比上面說到的可視化宇宙的半徑460億光年小得太多了,肯定不對,哪裡錯了呢,因為宇宙早期的膨脹速率要大得多,所以用可觀測宇宙的半徑x(13.8Gy)=46Gly 反推回去。




根據




估算出H




這就說明,有效哈勃參數(假設空間膨脹的速率跟大爆炸時候的一樣)的數值是之前算出來的兩倍還多,把這個哈勃參數代回到x(t)的表達式中




再把這兩個式子(前一個有空間膨脹,後一個沒有)單位歸一化後作圖再清楚不過了。



根據哈勃表達式,當時間為138億年時,對應的可視化半徑為460億光年修正成功,當然了,真正的計算要比我這個複雜的多


相關焦點

  • 宇宙年齡是130億年左右,為什麼人類能觀測到460億光年遠的天體?
    宇宙年齡約130億年,這是大家所熟知.但是人類迄今為止觀測到的最遠的天體則為460億光年遠.
  • 宇宙138億年,沒有什麼比光速快,我們是如何看到465億光年?
    這個問題是我們經常遇到的問題,也是特別顯而易見的問題。直覺上宇宙的大小和它的年齡不符。我再把問題重申一遍:如果宇宙已經138億年了,沒有什麼能比光速跑的更快,那麼我們是如何看到465億光年之外的東西的呢?
  • 在一個138億年前的宇宙中,科學家怎麼能看到461億光年遠的地方?
    如果我們實驗確定宇宙中有一個常數,那就是真空中的光速c。不管光在哪裡,何時,或朝哪個方向傳播,它以每秒299792458米的速度,每年傳播1光年(約9萬億公裡)。大爆炸已經有138億年了,這可能會讓你想到我們能看到的最遠的天體是138億光年遠的。但不僅如此,我們能看到的最遠距離是138億光年距離的三倍多:461億光年。
  • 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?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。
  • 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?
  • 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?
  • 哈勃望遠鏡已看到134億光年,宇宙究竟有多大?它為什麼那麼大?
    但可以確定的是,這裡遠不是宇宙的邊緣,它僅是接近可觀測宇宙的邊緣,而更遠的星系已經脫離了我們的觀測範圍以外了。這是由於從宇宙大爆炸之初就持續至今的宇宙膨脹,導致宇宙的大部分星系都正以超越光速的速度遠離我們,我們將永遠無法看到它們所發出的光了。
  • 哈勃望遠鏡已看到134億光年,宇宙究竟有多大?為什麼那麼大?
    ,根據光譜分析,測量到其紅移量高達11.1,按照目前測定的哈勃常數計算,它距離我們約有134億光年,這意味著,它的光是在134億年前發出的,在宇宙空間傳播了134億年後抵達地球並被哈勃空間望遠鏡捕獲。月21日由歐洲航天局(ESA)的普朗克衛星最新數據確定的宇宙年齡,宇宙誕生至今約138.2億年。
  • 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。
  • 360億光年、930億光年、2520億光年,哪個才是宇宙真實大小?
    人類對宇宙的認識經歷了漫長而曲折的過程,在古代人類視野範圍很小,以為看到的就是真實的,於是產生了「地平說」、「地心說」、「日心說」這些現在看起來非常荒謬的理論,並且還為這些理論的正確與否爭得你死我活,從20世紀50年代開始,人類航天技術獲得空前發展,對宇宙的認識才有了一定的加深,原來我們一直踩著的、看起去非常平坦的地面竟然是彎曲的
  • 如果宇宙的壽命是136億年,我們怎麼能看到460億光年外的星系呢?
    我們的觀測極限是多少?宇宙的邊緣究竟與我們有多遠?為何會有這麼大的差距?這背後包含了簡單的物理知識。 據估計,我們的宇宙壽命為137.7億年。我們能夠觀測到的最遠的物體與我們的距離大約略小於134億光年。
  • 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
  • 我們是如何得出宇宙年齡是138億年的結論的?
    但我們能對這個答案有多自信呢?有人一定會問:「我們是如何得出宇宙年齡是138億年的結論的?」測量宇宙年齡最簡單、最直接的方法就是觀察宇宙中的物體:例如恆星。僅在銀河系中我們就有數千億顆恆星,而古代天文學史上絕大多數都致力於研究和描述恆星。
  • 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。
  • 宇宙才形成138億年,人類卻能觀測到465億光年外,為什麼?
    根據現有的科學知識,科學家們吧宇宙誕生日期放到了138億年前,那個時候宇宙就是一個小點,然後宇宙爆炸後便不斷向外膨脹,因此我們才說宇宙是無邊無際的,因為宇宙只有138億年的年齡,最早誕生的光線也只能跑138億年。
  • 天文學家發現年齡最大的黑洞:16億倍太陽質量,距地130億光年
    類星體是宇宙中最明亮的物體,它們位於銀河系的中心,但在它們自己的中心則存在一個超大質量的黑洞,其質量比太陽大數百萬至數十億倍。【環球網科技綜合報導】1月16日消息,據外媒報導稱,天文學家在距離地球130.3億光年的暗角發現了一個類星體,它中心的超大質量黑洞比太陽大16億倍。