宇宙膨脹速度只有67千米/秒，為什麼138億年能膨脹出930億光年？

2020-10-18 星辰大海種花家

宇宙的年齡到底是多少年在這問題上並不重要，而且138億年這個數字非常準確了，在這裡就不糾正了，吃瓜群眾好奇的是宇宙中速度最高的不過是光速而已，即使以光速膨脹也不過是276光年而已，怎麼會跑出930億光年的距離呢？而且表現宇宙膨脹速度的哈勃常數不過67.15千米/秒，都還沒有帕克衛星環繞太陽的近日點速度高，天文學家是不是搞錯了？

哈勃常數的正確理解

相信很多朋友並不能準確理解哈勃常數的真正含義，上文中的哈勃常數格式符合我們一般的理解方式，比如大部分高速公路上最高限速120千米/小時，但這個方式來表示宇宙膨脹是有誤的，哈勃常數的標準格式是：

67.15 (km/s)/Mpc

這個格式看起來怪怪的，前面都認識，但在千米每秒後為什麼還有一個Mpc，這個參數非常重要，在宇宙中，不確定尺度的條件下形容某個天體那就是流氓，比如太陽在太陽系中是最大的，但在銀河系中也就是數千億顆恆星而已，連8.6光年外的天狼星都比它大。

而這個Mpc呢，表示的是百萬秒差距，秒差距又是什麼意思呢？在地球的視角上，以地球公轉軌道的平均半徑為底邊建立的一個三角形，當頂角是一秒時對應的距離即為一秒差距，這個距離大約是3.26156光年，一般都取值3.26光年。百萬秒差距即326萬光年

哈勃常數的真正含義是宇宙在每隔326萬光年的距離上，膨脹速度增加67.15千米/秒，上不封頂。請注意「上不封頂」這個關鍵詞，我們下文會單獨說明

光速的局限

我們都已宇宙中最高的速度來形容光速，其實並沒有毛病，麥可遜莫雷實驗中證明光速不隨任何參考系改變，而通過愛因斯坦的狹義相對論我們可以推導出物質與信息以及能量的運動速度不可能超過光速

但空間膨脹這個特殊的速度與距離增加卻不在狹義相對論的幾個效應範圍內，因為它既不傳遞信息，也不傳送物質，更不是能量的運動，因此在空間膨脹這個特殊的宇宙現象上並不能套用光速不可超越的理論，而是會由於空間膨脹的效果而改變，因為空間膨脹可以無限疊加，唯一差別是空間是否夠大。我們來簡單計算下即可知道，假如按67.15千米/秒/Mpc的速度來計算，宇宙大約在哪裡會超過光速。

L=光速/膨脹速度×百萬秒差距=145.61億光年

在這個距離以外，宇宙膨脹速度超過光速。

但這仍然沒有完全解決我們的問題，下面我們簡單說說宇宙的誕生於膨脹過程

宇宙誕生與膨脹的過程

在宇宙誕生的第一刻，也就是第一個普朗克時間（10^-43S）之後，引力分離

10^-36S，強作用力分離

之後是宇宙的暴脹時期，宇宙在10^-33S之內膨脹了10^26倍

10^-12S，電磁力和弱力分離，四種基本作用力誕生

10^-6S，夸克在強作用力下誕生質子和中子

3分鐘時，太初核聚變結束，宇宙中誕生了氫原子核，氦原子核以及少量的鋰原子核等，但此時溫度極高，電子還在游離狀態。

37.9萬年時，宇宙溫度逐漸下降到原子核可以電子結合在一起形成原子。光子脫耦，大爆炸時誕生的光子在等離子「濃湯」中亂竄的時代結束，開始在宇宙中傳播。

其實這些光我們現在都還能看到，就是傳說中的宇宙微波背景輻射，宇宙的膨脹已經將這些可見光波段直接頻移到微波波段，宇宙微波背景輻射就是大爆炸的餘輝。

在這裡我們要理解一個事情，從時間上來看，宇宙微波背景輻射實在大爆炸以後37.9萬年，也就是138億年-37.9萬年，但它今天的位置已經在距離461億光年外，那為什麼我們現在還能看到它呢？請注意，這是它在宇宙誕生37.9萬年時發出的光，它現在發出的光，我們要138億年-37.9萬年才能看到。

簡單的一句話理解，我們看到越是遙遠的天體，就越是古老！

換個思維方式，理論上只要我們的設備額足夠先進，我們就能看到宇宙的大爆炸時代，上文我們說了宇宙微波背景輻射在461億光年外，距離宇宙大爆炸只有37.9萬年的時間，換算成距離大概是4200萬光年，經過漫長時間的膨脹，現在這個距離已經擴大到了4億光年！

那麼我們有手段穿透這個光子在等離子濃湯中亂竄的時代嗎？答案是顯而易見的，就是技術上實施起來有些困難

1、大爆炸時代遺留的中微子

2、原初引力波探測

和宇宙微波背景輻射一樣，宇宙大爆炸時代也遺留了中微子，儘管中微子速度比光速略低，但它的退耦時間更早，大約在宇宙大爆炸後1秒發生，因此從宇宙大爆炸的過程來看，中微子比微波背景輻射攜帶的信息更久遠，一下子來到了宇宙大爆炸一秒鐘之後。

而原初引力波則理論上可以直達大爆炸的第一個普朗克時間，因為在宇宙的誕生的10^-43S之後，引力就已經分離出來，它對時空的擾動可以直達現代宇宙。不過宇宙大爆炸時代的引力波的波長高達10光年級別，LIGO探測到的引力波幾百到幾千千米而已，所以要繼續努力哦。

因此加上原初引力波的探測，我們理論課探測去距離為合計（461+4）×2=930億光年，就像一個人年齡和身高並沒有絕對關係一樣，這個問題的原因是宇宙的膨脹，而在1998年對遙遠星系的Ia型超新星爆發觀測，宇宙的膨脹在宇宙誕生90億年的時候就就開始了，也就是距今大約45-47億年前。

相關焦點

  • 愛因斯坦說光速不可超越,宇宙138億年,為何能膨脹出930億光年?
    都說宇宙廣袤達到了138億光年，光從如此遙遠的地方到達這裡，早就過去了138億年，那麼現在那宇宙的邊緣，怎麼樣了呢？宇宙到底是什麼時候誕生的？科學家也一直想弄明白宇宙到底有多大，這事情從牛頓時代就開始折騰了，牛爵爺根據封閉空間內引力會逐漸收縮到一點，而現在的宇宙好好的，從而推測出宇宙無限大！
  • 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
  • 宇宙是如何在138億年的時間裡膨脹到460億光年的
    如果宇宙有138億年的歷史，光速確實是我們的宇宙速度極限，我們能看到多遠？答案似乎很明顯：138億光年，因為一光年是光一年能走的距離，沒有什麼能比這更快。不幸的是，就像很多顯而易見的答案一樣，當你把你的邏輯常識應用到它們上面時，事情實際上並不是這樣的。實際上，如果你看你能看到的最遠的東西，然後問「它有多遠」，答案要遠得多：460億光年。
  • 宇宙膨脹在150億光年處超光速,為什麼能看到930億光年的天體?
    從一個便於理解的例子說起這個問題可以用一個差不多的例子來說明：在黑夜裡，一架超音速飛機以2倍音速遠離我們而去，它在離觀察者10千米的地方發出聲音，觀察者大約在29秒以後才能聽到。但這個時候，飛機已經飛到 30千米以外的地方了。
  • 為什麼說觀測到930億光年遠,而宇宙卻是138億年前誕生?其實很簡單
    在我們今天的宇宙中，由於宇宙在膨脹，來自遙遠星系的光出現紅移。因此，離我們更遠的物體後退的速度似乎比單純的膨脹率外推會更快，這是因為我們的宇宙不僅包含物質和輻射，還包含暗能量。膨脹率隨時間變化的方式取決於宇宙是由什麼組成的。在大爆炸後的頭幾千年裡，輻射佔主導地位。在那之後的數十億年裡，物質主宰一切。而今天，是暗能量。但是在大爆炸之前，宇宙以指數級的速度膨脹，這使得宇宙變平，並在任何地方賦予它均勻的性質。這是在宇宙膨脹時期。
  • 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。
  • 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
  • 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?
    為什麼在一個年齡有130億年的空間內,卻能觀測到460億光年外的天體.光速不是不可以被超越的嗎?這到底是為什麼!?答案就在這個問題之中.這個叫做 可視化宇宙或可觀測宇宙而這個半徑也就是460億光年左右,直徑為930億光年左右可想而知,宇宙的膨脹速度到底有多快,而至今可能都沒有停止膨脹截止2013
  • 光速是最快的,那為何137億年歷史的宇宙卻膨脹了930億光年?
    其實可觀測宇宙確實已經達到了930億光年，但即使宇宙在這138.2億年裡以光速膨脹，最多也就只膨脹了138.2億光年的半徑，那麼這930光年的直徑又是怎麼來的呢？很明顯這宇宙膨脹肯定超過了光速！這一點是毋庸置疑的，而且空間的膨脹並不受光速限制，從暴漲開始的10^-32S之內，宇宙即從一個原子大小膨脹到了光年級別，當然此時暴漲即宣告結束，但膨脹卻並未結束！
  • 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？
  • 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？
  • 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。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。
  • 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？