宇宙年齡138億年,宇宙直徑930億光年,光速最快,這不矛盾嗎?

2020-12-06 優美生態環境保衛者

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?

宇宙的年齡問題

隨著對宇宙探知的不斷深入,宇宙的浩瀚和博大越來越使人類在心生震撼的同時感覺到自身的渺小,而宇宙是怎麼來的,它到底經歷了多少歲月,一直以來都是縈繞在科學家心頭上的重大問題。一開始,人們認為宇宙無垠無盡、無生無死,是一個靜態的宇宙,就連愛因斯坦在提出廣義相對論的引力場方程時,因為推導出來的宇宙是一個處於動態變化的狀態,於是刻意地在其中加入了一個修正的量,即宇宙常數,來平衡引力帶來的動態效應。

後來哈勃在對遙遠天體進行長期觀測時,通過對接收到的光譜進行分析,發現星系發出的光譜會向紅色一端移動,即出現紅移現象,而且距離地球越遠的星系,紅移現象越明顯。通過光的都卜勒效應,表明遙遠星系都在向著遠離地球的方向移動,而且距離越遠,移動速度越快,這種現象被稱為哈勃紅移,從而說明我們處所的整個宇宙,具有各向同性均勻膨脹的基本特性。愛因斯坦在親眼看到這一現象時,也不得不刪除了引力方程中的宇宙常數。

哈勃紅移為宇宙年齡的測算奠定了堅實的基礎,據此提出了哈勃常數(H)的概念,來表達一定距離上的星體在單位時間內遠離地球的速度,而星系的退行速度(V)、星系與地球之間的距離(D)兩者之間的關係成正比,表達式為:V=H*D。歐洲航天局於2013年應用普朗克衛星對哈勃常數進行了精密的測量,最後測得的哈勃常數為67.8公裡/秒/百萬秒差距。

既然宇宙是不斷膨脹的,那麼追蹤溯源,應該會有一個膨脹的最初始狀態,於是科學家們確立了宇宙是從最初的一個點通過大爆炸而來。當我們測得兩個星系之間的退行速度以及它們之間的距離之後,就可以倒推在宇宙大爆炸後兩個星系分開所花費的時間,也就是宇宙從大爆炸一直到現在所經歷的時間,我們就計算出來了宇宙的年齡。科學家們通過長期的測算以及修正,同時結合宇宙微波背景輻射的相關研究,最終得到了宇宙年齡的主流觀點為138.2億年。

可觀測宇宙的半徑問題

剛才提到了,如果光從宇宙大爆炸的奇點出發,以最快速度運行,其最遠距離我們也應該只有138.2億年,那可觀測的宇宙半徑465億年是怎麼回事呢?這主要是空間的膨脹效應帶來的。

按照哈勃常數表達的概念,空間中的任意兩點之間,都會隨著時間的推移發生互相遠離的現象。如果以地球為中心,距離地球百萬秒差距(320萬光年左右)的B點,其遠離地球的速度為每秒67.8公裡,而在距離地球320萬光年處,與其距離320光年距離的目標星系(C點集合)遠離它的速度也為每秒67.8公裡,那麼在地球上觀測處於同一直線上的C,則其遠離地球的速度就會67.8*2=135.6每秒,這裡面就有一個空間膨脹的疊加問題。空間的膨脹,使得光線原本運行所需要的時間,會在空間膨脹帶來的影響下實際所通過的路程更長,因此經歷的時間也會變長。

那麼,就會存在著一個臨界值,那就是光線的運行速度與以觀測點為中心目標星系的退行速度達到相等,在此臨界值以外,膨脹的速度大於光速,則光線永遠不可能達到觀測點。如果以地球為中心的觀測點,那麼這個臨界值將為距離地球465億光年,其實在宇宙中的任意一點,這個臨界值也是一樣的,這就是可觀測宇宙半徑的由來。

宇宙的範圍究竟有多大

以現有科學技術,我們能夠觀測到的宇宙範圍只能是以地球為中心、半徑465億光年的一個球體,這是由光線傳輸速度與宇宙膨脹速度共同影響的一個範圍。剛才說了,在宇宙中的任意一點,都存在著這麼一個可觀測宇宙半徑,那麼就意味著真實的宇宙範圍要比這個值大得多,可觀測宇宙外還有以其它點為中心的可觀測宇宙。

至於宇宙空間到底有多大,科學家們誰也說不清楚,目前可能也只能給出理論上推導出來的的答案。如果從宇宙大爆炸對空間的均勻推動膨脹效應,我們可以看到空間的彎曲程度,歷史越短,可觀測出的這種曲率就會越大。

從現在科學家監測到的宇宙空間彎曲程度來看,幾乎是完全平坦的,誤差值僅為0.25%左右,這就意味著實際宇宙的尺寸要比現在至少大許多,假如整個宇宙是閉合的話,那麼實際上空間的彎曲所帶來的這250倍的誤差,正好能說明與現有可觀測宇宙之間的關係,據此,科學家們認為真實的宇宙直徑,要在現有可觀測宇宙直徑930億光年的基礎上,再乘以250倍,即23萬億光年,當然這只是理論上的推測。

綜上,我們可以看出,之所以宇宙的年齡和可觀測宇宙的直徑在數值上有差異,主要來源於空間的膨脹效應,使得光線實際行進的距離被拉長了。在可觀測宇宙之外,宇宙膨脹速度已經超過光速,但這並不違反相對論,因為這僅僅是膨脹的空間累積效應,本身並不攜帶任何信息。

相關焦點

  • 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,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
  • 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?
  • 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。
  • 光速最快,宇宙年齡138億歲,可是宇宙那麼大,與理論矛盾嗎?
    在宇宙中光速最快,宇宙的年齡是138.2億歲,宇宙的直徑930億光年,這難道不矛盾嗎?宇宙的年齡對於研究宇宙學很重要,它是宇宙模型裡的一個重要的基本參量,精確地知道宇宙的年齡有助於人們了解宇宙的起源以及演化過程。
  • 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。
  • 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。
  • 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?
  • 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。
  • 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?
  • 宇宙直徑達930億光年,根據相對論,為什麼宇宙年齡只有138億年?
    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。
  • 宇宙直徑達930億光年,根據相對論,為什麼宇宙年齡只有138億年?
    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。
  • 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。
  • 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?
    宇宙的年齡結合宇宙大爆炸以及暴脹模型,還有普朗克衛星測定的最精確的哈勃常數,科學家在2015年時得到了一個宇宙誕生的大致年份,大約在137.87±0.02億年前!宇宙的年齡可以通過對哈勃常數以及所含成分的密度參數的測量決定為什麼138億年的時間膨脹出了465億光年的宇宙有了宇宙誕生的模型、參數和時間,那麼科學家計算出了宇宙的大小,大約930億光年直徑!也許大家有點懵逼,宇宙誕生不就是138億年麼?怎麼就膨脹出465億光年半徑的宇宙,即使以光速膨脹宇宙也就276億光年直徑,難道算錯了嗎?
  • 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。