在138億年裡,宇宙如何從奇點膨脹到24萬億光年的範圍?

2020-12-06 火星科普

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。

另一方面,愛因斯坦相對論所說的光速不可超越已經得到了大量實驗的證實。那麼,超光速膨脹的宇宙是否違背了相對論呢?或者愛因斯坦錯了嗎?

事實上,愛因斯坦沒錯,相對論的正確性毋庸置疑。天文學家的觀測結果也沒有問題,宇宙確實在超光速膨脹。問題就在於很多人對宇宙膨脹存在很深的誤解。

宇宙大爆炸與我們常識中的爆炸完全是兩碼事。當炸彈爆炸時,能量從中心擴散到四周,炸彈碎片會朝著各個方向被拋射出去,而宇宙大爆炸並非如此。雖然宇宙起源一個奇點,但能量和物質並不是從那個奇點擴散到虛無的空間中,奇點並不在空間中,而是空間本身從奇點中創造出來。

宇宙在膨脹時,星系不是從一個點向四周擴散出去,否則的話地球就成了宇宙的中心。在地球上,我們觀測到星系幾乎都在退行而去,但我們知道地球不是宇宙的中心,在宇宙中的其他地方也會觀測到類似的星系退行現象。唯一能夠解釋這種特殊現象的是空間結構自身在膨脹。

為了理解空間的膨脹,可以把三維空間結構想像成二維氣球表面,氣球表面上的每個點代表宇宙中的星系。當氣球膨脹時,表面會不斷擴張,這會導致氣球上的點互相遠離。從任意一點觀測,其他點都在遠離,距離都在增加。並且原先距離越遠的點,遠離速度越快。這是因為氣球在每個地方都膨脹了,所以距離越遠,在單位時間內膨脹越多。

宇宙的膨脹也是類似的原理,空間結構在不斷擴張,這就會推動空間中的星系互相遠離。但在現實中,還存在極少數互相接近的星系,例如,銀河系與仙女座星系,其原因在於它們之間的距離較近,足夠強大的引力會把星系吸引到一起。

由於宇宙空間自身結構的不斷擴張,只要距離足夠遠的星系,它們之間互相遠離的速度可以超過光速,這並不違反相對論。因為相對論所說的速度是指局域速度,星系相對於背景時空不可超越光速,而空間膨脹所引發的超光速現象與此無關,空間擴張速度不受相對論限制。

那麼,空間的膨脹速度有多快呢?

在天文學中,哈勃常數被用於表示空間膨脹的速度,其大小約為70(千米/秒)/326萬光年。具體來說,如果兩個星系的距離為326萬光年,那麼,它們之間的空間擴張會讓它們互相遠離的速度達到70千米/秒。如果距離為3260萬光年,退行速度等比例變快10倍,即達到700千米/秒。當距離達到大約140億光年時,退行速度超過30萬千米/秒,這已經大於光速。

正是由於空間結構的持續膨脹,宇宙在138億年裡從沒有大小的奇點擴展到如今巨大的尺度——可觀測宇宙的尺度可達930億光年,不可觀測宇宙的尺度更是高達24萬億光年。

相關焦點

  • 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。
  • 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。
  • 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。
  • 138億光年外的宇宙是什麼?那裡是宇宙的盡頭嗎?
    過去,宇宙普遍被認為是永恆存在的,沒有起源時間。隨著現代天文學的發展,天文學家發現了宇宙在膨脹。如果把時間倒退回去,宇宙會越來越小。直至時間的盡頭,宇宙成了一個奇點,這被認為是宇宙的起源。根據目前最為精確的觀測數據,宇宙的起源時間為距今138億年前,宇宙從奇點大爆炸中創生。
  • 138億光年外的宇宙是什麼?那裡是宇宙的盡頭嗎?
    根據目前最為精確的觀測數據,宇宙的起源時間為距今138億年前,宇宙從奇點大爆炸中創生。大約38萬年後,宇宙發出了最早的光,它們穿越時空,來到如今的地球上。這些光子已經變成了肉眼不可見的微波,可以用射電望遠鏡探測到,它們被稱為宇宙微波背景輻射。
  • 宇宙大爆炸只過去了138億年,為何直徑達到了930億光年?
    我們知道,宇宙起源來自於138億年前的一個奇點爆炸。在大爆炸發生後,宇宙不斷地膨脹,最終變成了今天的模樣。宇宙目前的半徑範圍應該是138億光年才對,既然光速是宇宙中最快的速度,科學家們又是如何觀測到465億光年半徑宇宙的呢?難道愛因斯坦的相對論是錯誤的?
  • 宇宙大爆炸只過去了138億年,為何直徑達到了930億光年?
    我們知道,宇宙起源來自於138億年前的一個奇點爆炸。在大爆炸發生後,宇宙不斷地膨脹,最終變成了今天的模樣。宇宙目前的半徑範圍應該是138億光年才對,既然光速是宇宙中最快的速度,科學家們又是如何觀測到465億光年半徑宇宙的呢?難道愛因斯坦的相對論是錯誤的?
  • 既然宇宙來源於138億年前的奇點,為何這個奇點到現在還找不到?
    科學家們根據宇宙膨脹的結論,利用倒推追溯的方式,認為既然宇宙正在膨脹,那麼在之前的某個時間點上,勢必存在著一個膨脹的起點,現在的宇宙所有物質,都來源於那個起點,於是推測出來宇宙來源於138億年的奇點大爆發假說。那麼,為何我們現在可觀測宇宙的範圍都達到了半徑465億光年,也無法找到原來的奇點在哪裡呢?我想,這裡面主要有幾個因素。
  • 138億年前創造宇宙的那個奇點目前在哪裡?
    基於現代宇宙學,時間和空間都有一個開端,那就是138億年前的一個奇點,宇宙就是從最初的那個奇點膨脹而來。138億年過去了,創生宇宙的那個奇點目前在哪裡呢?關於這個問題,首先要知道為什麼現代宇宙學會認為宇宙起源一個奇點。在20世紀初,穩恆態宇宙模型是主流理論。
  • 宇宙才形成138億年,人類卻能觀測到465億光年外,為什麼?
    根據現有的科學知識,科學家們吧宇宙誕生日期放到了138億年前,那個時候宇宙就是一個小點,然後宇宙爆炸後便不斷向外膨脹,因此我們才說宇宙是無邊無際的,因為宇宙只有138億年的年齡,最早誕生的光線也只能跑138億年。
  • 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
  • 宇宙誕生138億年後,還能找到大爆炸的奇點位置在哪裡嗎?
    而1929年哈勃通過十數年的觀測,發現遙遠的天體正在高速膨脹,不過當年哈勃測出的膨脹速度高達550千米/秒·百萬秒差距,偏高很多,這和當時所使用的參考數據沒有考慮各種修正有關,普朗克衛星在2013年最新測得的數據是67.15千米/秒,根據此膨脹速度計算,位於2.5億光年外的巨引源正在以超過4400千米/秒的速度遠離!
  • 宇宙誕生138億年後,還能找到大爆炸的奇點位置在哪裡嗎?
    千米/秒,根據此膨脹速度計算,位於2.5億光年外的巨引源正在以超過4400千米/秒的速度遠離!當然宇宙的奇點並不能和黑洞的奇點相提並論,我們也不知道它是怎麼來的,但根據宇宙膨脹反推以及大爆炸產生的餘暉(宇宙微波背景輻射),還有原初物質的元素豐度都指向一個無比清晰的結果:宇宙在138.2億年發生過一次誕生所有物質
  • 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?
  • 12萬億光年!宇宙的盡頭有多遠?
    另一方面,哈勃當年通過星系退行的規律發現宇宙空間正在膨脹。如果把時間倒退回去,宇宙會比現在更小。如果倒退到時間的盡頭,宇宙將會縮小成沒有空間的奇點,這被認為是宇宙的起源。我們的宇宙並沒有存在無限漫長的時間,宇宙形成於138億年前的無窮小奇點。基於上述兩個事實,我們只能看到有限大小的宇宙。那麼,我們所能看到的宇宙有多大呢?在過去的138億年裡,光最遠傳播了138億光年。但理論上,可觀測宇宙的半徑估計為465億光年,遠超138億光年。也就是說,空間的膨脹速度超過了光速。但愛因斯坦又說,光速是不能超越的,這是否有矛盾?
  • 12萬億光年!宇宙的盡頭有多遠?
    另一方面,哈勃當年通過星系退行的規律發現宇宙空間正在膨脹。如果把時間倒退回去,宇宙會比現在更小。如果倒退到時間的盡頭,宇宙將會縮小成沒有空間的奇點,這被認為是宇宙的起源。根據標準宇宙模型以及精度最高的宇宙微波背景輻射數據,宇宙的起源時間估計為距今138億年前。我們的宇宙並沒有存在無限漫長的時間,宇宙形成於138億年前的無窮小奇點。
  • 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。只能理解為,可觀測宇宙是以地球為球心,半徑930億光年(8.8 × 1026公尺)的球體,如果可觀測宇宙的體積用西瓜來比喻的話,那麼光錐之外宇宙也許有火星那麼寬,這並不意味著宇宙是球狀的