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?

2020-12-03 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。

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  • 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?
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    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。
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    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?
  • 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。
  • 可觀測宇宙有多大?直徑930億光年.
    但必須考慮到一個事實,那就是在過去的138億年間,宇宙一直在持續膨脹——並且膨脹的速度非常迅速。
  • 宇宙年齡138億年,直徑930億光年,宇宙膨脹超光速了嗎?
    通古計算哈勃常數,最後可以簡單得到宇宙的年齡,大約在138.2億年前,一個無限緻密、質量無限大、體積無限小的奇點「爆炸」了,宇宙開始演化一直到今天仍舊在不斷的膨脹。【可觀測宇宙直徑930億光年】目前的可觀測宇宙直徑930億光年,也就是半徑為465億光年,這是很多人非常疑問的一點,因為宇宙年齡只有138億歲,換言之也就是給了宇宙138億年的膨脹時間,按照最快光速膨脹,宇宙的乾淨也應該只有138億光年,目前來看宇宙膨脹超光速,那這是否違反了愛因斯坦的相對論要求
  • 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?
  • 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
  • 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?
  • 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?
  • 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。
  • 直徑930億光年的可觀測宇宙是啥意思?真正的宇宙有幾萬億光年嗎?
    一,可觀測宇宙的概念和目前的大小題目中說的整個宇宙的直徑930億光年,實際上這只能叫「可觀測宇宙」,是一個以觀測者為中心的球體空間,包括目前從地球上觀測到的所有物質,根據現在138.2億歲的宇宙年齡,人們計算出可觀測宇宙是以地球(觀測者)為中心,直徑為930億光年(因為宇宙空間是超光速膨脹,所以大於138億光年)的宇宙範圍。
  • 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。
  • 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?
  • 宇宙才138億歲,直徑卻達到了930億光年!不是說光速不可超越嗎?
    狹義相對論告訴我們,光速是這個宇宙中最快的速度,是只能接近,無法超越的速度。這個理論是人類認識宇宙的基礎,是科學家們最普遍贊同的一個理論。在這個宇宙中,任何存在質量的物體,都必須屈服於光速。但是,宇宙的膨脹卻是一個例外。