人類所能觀測到的宇宙直徑是930億光年,這個範圍是如何確定的?

2021-02-08 鍾銘聊科學

本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。

宇宙和可觀測宇宙

實際上,宇宙和可觀測宇宙是兩回事。不過,它們之間是有關係的,簡單來說就是可觀測宇宙是宇宙的一部分。那宇宙的年齡和可觀測宇宙的直徑是如何確定下來的呢?

不過,我們在開始講述之前,我們得先搞清楚宇宙的定義到底是什麼?

簡單來說,我們大概可以這麼理解,宇宙是所有時間、空間與其包含的內容物所構成的集合。

這個定義有啥用呢?

其實,你會發現,在這個定義中,一個個的事件也被包含在了其中。也就是說,宇宙包含了這個宇宙中所有的事件。這聽起來好像是一句廢話,實際上並沒有那麼簡單。1905年,愛因斯坦提出了4篇具有開創性的論文。

他在第三篇論文中,統一了時間和空間,認為我們不應該把兩者分離開看,應該將其看成一體,也就是時空。而後來,愛因斯坦數學老師閔可夫斯基基於愛因斯坦的理論,提出了一個時空光錐的概念。把事件和時空聯繫了起來。

通過光錐的相關理論,我們就會發現一個問題,並不是所有的時間,都可以讓宇宙所有的人同時看到,其中的約束是光速,如果你距離我們2000億光年,那你做的一件事情,我要2000億年後才能看到(當然,如果我還活著的話)。因此,同時性是相對的,同一件事情,不同的人看到它發生的時間也是不同的。

那我們回到宇宙的定義,宇宙是整個宇宙中事件的集合,這就意味著,我們沒有辦法接受到宇宙中所有事件的信息。只有當光到達了我們這裡,我們才能看得到。這其實也就是關於光錐的一句很經典的話:光錐之內即命運。

而我們的可觀測宇宙其實就是從宇宙誕生至今,我們理論上所能觀測到的最大範圍,因此,它只能是宇宙的一部分。

可觀測宇宙

那問題就來,可觀測宇宙的直逕到底是咋樣的?

其實,按照目前的理論和觀測來看,宇宙並不「純粹」是光速膨脹的。宇宙起源於一次大爆炸,在爆炸之後,宇宙的空間發生了劇烈的膨脹,從那之後,宇宙開始經歷了一段長達90億年左右的減速膨脹,而之後宇宙空間達到了如今的75%左右,也就是距今45億年前後,宇宙開始加速膨脹,而促使宇宙加速膨脹的是暗能量。

而我們常說宇宙中存在著一種「超光速」的事件,實際上就是空間的膨脹速度,它其實並不違反相對論的光速不變原理。因此,相對論限制的是信息、物質、能量的傳遞速度,而不是空間的膨脹速率。而且宇宙的膨脹和我們想像中的那種具有邊界在擴張是不同的,宇宙其實是整體在擴大。

我們可以舉一個簡單的例子,如果有個氣球,那你可以在氣球上點上小點,這些小點代表星系,而當你把氣球最大,你就會發現在,這些「星系」就開始彼此遠離,宇宙的膨脹就類似於氣球這種類型的膨脹。

而我們觀測到的超光速,實際上是距離我們比較遠的空間的膨脹,以我們為參考系的。如果宇宙一直都是這樣加速膨脹,那我們就永遠看不到那邊空間中的天體了。

搞清楚了膨脹,我們再來看看,可觀測宇宙,就像上文說宇宙在膨脹。所以從宇宙誕生開始,有一些光就開始傳播,而此刻它恰好能到達地球,這個距離還要把宇宙的膨脹效應考慮進去,通過簡單的計算,我們就能得到這個距離其實是461億光年。

那你可能納悶,不是930億光年麼?咋就變成了461*2=922億光年了?少了8億光年到底去哪裡?

其實多出來的這8億光年是有道理的,要知道,宇宙在誕生之初就像一鍋粒子粥,其中微觀粒子互相亂撞,光子也在其中,一直沒有辦法擺脫。後來到了宇宙誕生了38萬年後,宇宙冷卻到原子結構可以形成,光子就開始宇宙中穿行。因此,我們其實看不到的不是138億年前宇宙一誕生就開始穿行於的宇宙,而是少了38萬年。

那這38萬年對我們來說就是盲區了麼?實際上並不是,雖然利用光是沒辦法看到。可是我們開發了一項全新的觀測手段,那就是引力波。原初引力波指的就是宇宙誕生時產生的引力波,這在理論上是有可能被我們觀測到的,因此也要把引力波也考慮進行,通過理論計算,就會發現,這段對應的就是8光年的直徑,因此,做一個簡單的加法,我們就可以得到可觀測宇宙直徑930億光年的結果了。

相關焦點

  • 人類目前能觀測到的宇宙,直徑約930億光年,宇宙真的無限大嗎?
    前一段時間一張黑洞的合成照片震驚了全世界,因為這是人類有史以來合成的真正第一張黑洞照片,它的意義非常巨大。黑洞是宇宙中一個非常神秘的天體,人類可以用現有的高科技技術探測到黑洞的存在,但是就目前人類的技術水平而言,宇宙之大還無法真正了解,因為這個空間實在是太大了,以我們現有的技術水平依然還看不到盡頭。
  • 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?
    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。
  • 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。
  • 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,它指的是光速本身所產生的物理極限。因為沒有任何物質傳播的比光快,所以在宇宙年齡範圍內,任何距離我們比光傳播的更遠的物體都不能被探測到,因為它們發出的光還沒有到達我們的探測器,一句話,可觀測宇宙就是由於光速限制而目前能看到的範圍相對應的現在的宇宙區域。因此可觀測宇宙的大小與宇宙年齡有關,隨著宇宙年齡的增大,可觀測宇宙的直徑還會增大。
  • 可觀測宇宙有多大?直徑930億光年.
    將這一因素納入考慮之後,天文學家們的計算結果顯示,那些從138億光年外發出的光線,產生這些光線的古老天體,由於宇宙的膨脹,今天它們和我們之間的距離已經達到了大約465億光年左右。    這一數值是我們目前對於可觀測宇宙半徑的最佳估算。將這一數值乘上一倍,我們就能獲得可觀測宇宙的直徑,大約是930億光年。
  • 930億光年,可觀測宇宙的大小是如何得出來的?
    當然不是了,不僅不是,在計算可觀測宇宙的大小,在計算宇宙的年齡,計算過程是相當嚴謹可靠的,是理論與實際觀測相結合的結果,是科學的。根據目前的科學成果,宇宙的年齡在138.2億歲左右,可觀測宇宙的直徑在920-930億光年左右。在討論宇宙大小是如何被計算出來的之前,先需要明白什麼是可觀測宇宙。
  • 可觀測宇宙直徑930億光年,這個範圍到底是咋來的?
    通過這個簡單的例子,我們就會發現一個問題,如果我們是通過光(電磁波)來進行觀測的,那麼,我們能觀測到的距離和時間是有關係的,時間越長,能觀測到的距離就越長,簡單來說就是距離等於光速乘以時間。那可觀測宇宙是什麼意思呢?說白了就是人類理論上所能看到的最大的範圍。我們現在也知道,宇宙並非是永恆的,而是有一個開端,被我們稱為宇宙大爆炸。
  • 930億光年外是宇宙的邊緣嗎?如何能到達宇宙的邊緣?
    是宇宙的邊緣嗎?其實答案很簡單:930億光年外還是我們的宇宙。但這樣回答有小朋友就不樂意了,既然還是我們的宇宙,那為什麼說宇宙是930億光年的呢?這就要從930億光年的來歷說起。大家可能注意到了,這裡說的是宇宙的直徑930億光年,半徑也就是465億光年了。
  • 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,
  • 宇宙直徑930億光年,說明宇宙是有限的?霍金:有限無界
    浩瀚無窮的宇宙,到底哪裡是盡頭?宇宙是不是真的無窮無盡?宇宙到底有沒有邊界呢?有時候越往深處想,腦子裡就感覺越亂,甚至會出現一種讓人毛骨悚然的感覺。古往今來,天文學家對於宇宙的研究和探索一直都沒有停止過。隨著人類文明的發展,天文學家對宇宙的爭論也延伸到了宇宙是有限還是無限的問題上。如果宇宙是有限的,通過現代的科學技術就可以準確推算出宇宙的真實大小。
  • 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。
  • 直徑930億光年的可觀測宇宙到底是什麼意思?真正的宇宙有多大?有幾萬億光年嗎?
    因為沒有任何物質傳播的比光快,所以在宇宙年齡範圍內,任何距離我們比光傳播的更遠的物體都不能被探測到,因為它們發出的光還沒有到達我們的探測器,一句話,可觀測宇宙就是由於光速限制而目前能看到的範圍相對應的現在的宇宙區域。因此可觀測宇宙的大小與宇宙年齡有關,隨著宇宙年齡的增大,可觀測宇宙的直徑還會增大。
  • 宇宙直徑真有930億光年?子虛烏有
    任何認知方式都應該建立在合理可靠的理論及數據基礎上,但是現代科學在進入21世紀後卻越來越偏離了正確的方向,很多觀點都是通過一些想當然的理論和模型予以強行推論的,諸如宇宙直徑(或可觀測宇宙範圍)為930億光年的說法就缺乏基本的實據和合理性邏輯,但這個觀點卻似乎越來越成為了科學界的主流認知。現代科學有一個公認的觀點:宇宙是經過暴漲而來的。
  • 宇宙直徑長達930億光年,人類如何定位地球在宇宙中的位置?
    ,在陸地上我們可以根據國家行政劃分街道小區房間號確定自己的位置,那在茫茫宇宙中我們如何確定自己的位置呢?  在宇宙中確定位置是非常困難的一件事,和地球不一樣,宇宙實在是太大了,宇宙中既沒有上下左右可以讓人類來表示方向,沒有東南西北可以讓人類表示方向,那麼在宇宙中我們究竟該使用怎樣的方法來定位呢?
  • 直徑930億光年的可觀測宇宙到底是什麼意思?真正的宇宙有多大?
    證據二:宇宙微波背景輻射。根據大爆炸理論,宇宙大爆炸至今應該還殘留著輻射,而在138億年前,宇宙還處於高溫下,後來又經過了138億年的膨脹冷卻,溫度已經變低了,科學家也觀測到了這個背景輻射,大約是2.7K,與理論吻合。
  • 宇宙年齡138億年,為何直徑卻有930億光年?
    科學家一直想尋找到其中確切的答案,可是由於宇宙實在太大了,現在人類對宇宙的認識只是皮毛而已,更不用說像「宇宙是怎麼來的」這樣的終極奧秘了,如果人類能夠解開宇宙起源之謎,那麼人類文明等級至少可以提升四個等級,從0.7級文明直接躍升到宇宙5級文明,但是對於人類來說很難很難,畢竟人類的文明等級不到一級,直接升到五級文明不太現實。
  • 人類可觀測930億光年,那930億光年以外又是什麼?真相即將揭開
    目前人類探測到的宇宙大約為930億光年,宇宙大爆炸說也普遍被人們所接受,人們認為宇宙起源於一個奇點,在某一時刻由於一種量子現象而產生了大爆炸,從而宇宙誕生。宇宙誕生後宇宙開始不斷膨脹,導致宇宙邊緣膨脹的速度遠遠超過了光速,所以關於宇宙的邊際,範圍超出了人類可觀察區域。
  • 宇宙到底是無限還是有限的?為什麼有宇宙930億光年範圍的說法?
    導語:宇宙到底是無限的還是有限的?為什麼有宇宙930億光年範圍說法?我們所生活的地球是在太陽系中,而太陽系又在銀河中,而宇宙中有無數個像銀河這樣的星系。從小我們上科學課的時候,老師就說過宇宙是一個無限大的,是沒有邊界的。
  • 宇宙已經膨脹成直徑930億光年的大球,這個大球的外面是啥
    我們的宇宙很大,看上去好像無邊無際,並且天文學家通過各種天文觀測手段至今也沒有找到它的邊緣,目前對可觀測宇宙的預估為930億光年。這是天文學家們通過宇宙背景輻射以及其它一些天文學觀測證據得出來的結果,因為他們發現宇宙的膨脹半徑已經達到了465億光年,但是宇宙大爆炸不是像槍射出的子彈一樣射向一個方向的,而是四面八方的,那么半徑膨脹了465億光年的宇宙,其直徑也就是930億光年了。
  • 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?