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?

2020-12-04 星辰大海路上的種花家

這個問題有一句經典非常的回答,「一個人的身高和他的年齡有直接關係嗎?」,差不多能噎死你!但你也可以一句話噎死他,「愛因斯坦告訴我們,任何有質量的物體不可以超過光速!」,這下應該輪到對方說不出話來了!不過這並沒有解決問題,只是把問題弄得更複雜了。

宇宙的大小到底是怎麼算出來的?

勒梅特通過愛因斯坦的廣相引力場公式發現了宇宙正在膨脹,因此他提出了宇宙大爆炸說,而哈勃則通過望遠鏡的觀測將宇宙膨脹實錘,並且通過觀測取得了這些天體膨脹的速率,也就是哈勃常數,那麼理論上就可以根據宇宙學模型計算出宇宙的年齡與當前宇宙的大小了,其實然並卵,現代宇宙年齡和大小計算需要的參數要複雜得多。

宇宙的大小和年齡計算公式

其中有一個尺度因子,是什麼意思呢就是宇宙並不是勻速膨脹的,不同階段膨脹的速度並不一樣,紅移值和哈勃常數還比較容易理解,現代天文測量的宇宙幾乎就是平直的,所以曲率被省略了,還有輻射佔比太小,也被忽略,剩下的是物質和宇宙常數了,這兩個確定不太容易,但在1998年暗物質和2013年歐空局普朗克衛星測量後都取得了比較一致的意見。

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?這兩個問題咋看都一樣,但其實所含的意義完全不一樣,宇宙膨脹其實不受速度限制,但它並不和愛因斯坦的光速不可超越衝突,因為光速不可超越說的是信息與物質還有能量傳遞無法超過光速。而宇宙膨脹並不能傳遞信息物質和能量,可能有些不容易理解,做個簡單的比方:

2013年普朗克衛星測量的哈勃常數為67.15千米/秒·百萬秒差距,意思每隔326萬光年的距離時速度增加67.15千米/秒,按這個速度計算宇宙大約在145.8億光年以外就超過了光速。因為空間的膨脹在速度上前後是疊加的,因為宇宙的每一個普朗克尺度的空間都在膨脹。

宇宙膨脹為什麼能超過光速呢?

當然其中一個原因是上文的計算,但這只是表象而已,更深層次的原因在於宇宙微波背景輻射上,自拉爾夫·阿爾菲和羅伯特·赫爾曼理論上預言了宇宙微波背景輻射,以及1965年彭齊亞斯和威爾遜發現了微波背景輻射原來,如何取得更精確的微波背景輻射圖成了科學家首要考慮的目標,COBE衛星和WMAP衛星以及普朗克衛星的努力,天文學家取得了解析度極高的微波背景輻射圖。

結果發現背景輻射的各向同性簡直就均勻到發指,溫度漲落只有百萬分之五,如何來解釋這個問題?因為宇宙相隔930億光年,連光速相互溝通都需要465億年,而宇宙誕生只有138.2億年,因此在很久以前必定有一種聯繫機制讓它們可以互相傳遞信息。因此麻省理工的阿蘭古斯教授在1980年提出了一個宇宙大爆炸的補丁理論:

宇宙暴脹理論

古斯認為,早期宇宙在大爆炸後大約10^36秒開始暴脹,持續到大爆炸後10^33至10^32秒之間,暴脹過後宇宙繼續膨脹,但速度要比暴脹低得多。儘管暴脹並未得到證實,但它解決了很多問題,比如宇宙的大小問題,以及微波背景輻射的各向同性,還有磁單極子問題還有宇宙空間的平坦性等問題。

哈勃半徑實際大小(實線)作為宇宙膨脹比例係數的函數

所以我們解決了暴脹問題後你將會發現,宇宙在某個區域外膨脹超過了光速,因此從理論上來看宇宙就會存在一個可觀測的極限邊界,這就是我們理論可觀測宇宙的大小,當前理論計算認為是930億光年。而這就是可觀測宇宙這個名詞的來歷。

宇宙只有930億光年嗎?其實並不是,因為宇宙在930億光年外我們是觀測不到的,而且從宇宙的平坦性來看,宇宙並非是封閉而是無限的,簡單的說我們只能評估出宇宙的可能是無限大的,假如以嚴謹的說法來描述的話,只能描述可觀測宇宙,而不是宇宙的大小。

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  • 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,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。
  • 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?
    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。
  • 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?
  • 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。
  • 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。
  • 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。
  • 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?
  • 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。而根據天文觀測發現,所有的遠方星系都在遠離地球,並且距離越遠,遠離的速度越快,這意味著我們所處的宇宙正在膨脹。當宇宙沿膨脹回溯回去,宇宙中的所有星系會聚集回一點,這大約需要經過138億年,也就是我們的宇宙誕生於138億年前。
  • 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.
  • 宇宙膨脹速度只有67千米/秒,為什麼138億年能膨脹出930億光年?
    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?
  • 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?