為什麼宇宙的年齡是 130 億年,而我們卻能看到 470 億光年遠的東西?

宇宙的年齡約130億年,可觀宇宙半徑約為470億光年。資料在維基百科等很多地方都可以查到。我只是不理解如果光速不可超越的話,怎麼會在130億年時間裡產生了470億光年的距離,並且是人類可觀測到的,也就是說還有更遠的東西我們目前還無法觀測得到呢。

求一個通俗易懂簡單的解釋。。


答案其實就在題主自己的題注里的這句話:
「我只是不理解如果光速不可超越的話」
英文是「Nothing is faster than light」,這裡的「Nothing」對應的是「Empty Space」。
相對論中的Nothing can"t move through space faster than light,但是你不能阻止space自己膨脹。
Quora上天文大牛Thomas Pilgaard的回答(建議大家可以看看他的很多回答,非常有科普性:https://www.quora.com/profile/Thomas-Pilgaard)被摺疊了,我把他的答案翻譯後修改過來:
題主要求的是一個通俗的解釋,那麼這麼來看:

這是一條非常非常長的路,即便是在沒有霧霾的時候,你也根本無法看到底。
在路的兩邊,每隔1米站著一個人。
接下來,題主,想像一下路(注意,是路)膨脹了!然後你會看到兩邊的人都在迅速的遠離你,然而並不因為他們自己移動了,而是他們腳下的路伸長了!
讓我們假設你是0號人,你的左邊是-1號,-2號·····你的右邊是1號,2號·····:

試著問自己:如果1號人遠離0號人也就是你,那麼是否意味著1號人離2號人越來越近了呢?
不是的,1號人和2號人之間的空間也經歷了同樣的膨脹!而這就說明,現在的1號人離你2米(之前離你1米),2號人離你4米(之前離你2米),同樣的也適用於-1號人和-2號人等等,最遠的7號人離你有14米之多(之前離你7米)。
對於1號人:2-1=1米,2號人:4-2=2米,7號人:14-7=7米

也就是說,離你越遠的人,他們跟你距離的增益越大,為方便理解,可以簡單記為空間膨脹的速率越大。
現在你正在這樣的奇怪的路上開著車,你明確的知道自己的目的地在哪,可是隨著旅程的進行,你突然發現,卧槽,怎麼開不完了,路越來越多。

圖片來自car on the acceleration road
而且更為可怕的是,之前還在你前面的車子,突然無法看見了,無論你以多大的速度去追趕,你都看不到了,因為你車下的路在不斷膨脹!
因為宇宙的空間無處不在的膨脹,在138億年前發射出光線的物質早已遠離我們而去(注意我們上面車子的類比),實在是遠的不能再遠了(遠大於460億光年):

圖片來自https://www.youtube.com/watch?v=XBr4GkRnY04
但是,由於我們之間的空間也在不斷膨脹(注意上面0號小人的類比),當我們之間的空間膨脹到可以看到138億年前物體發射出的光時:

圖片來自https://www.youtube.com/watch?v=XBr4GkRnY04
這時以我們為中心到以我們能看到的最遠的物質的距離為半徑做一個球體:

圖片來自圖片來自https://www.youtube.com/watch?v=XBr4GkRnY04
叫做particle horizon(粒子視界),或者叫做可視化宇宙,可觀測宇宙,而這個半徑就是460億光年,直徑是930億光年:

圖片來自https://www.youtube.com/watch?v=XBr4GkRnY04

可觀測宇宙(observable universe)是一個以觀測者作為中心的球體空間,小得足以讓觀測者觀測到該範圍內的物體,也就是說物體發出的光有足夠時間到達觀測者。截至2013年對宇宙年齡最精確的估計是137.98±0.37 億年。但由於宇宙的膨脹,可觀測宇宙的半徑並不是固定的138億光年,人類所觀測的古老天體當前的距離比起其原先的位置要遙遠得多(以固有距離(proper distance)來衡量,固有距離在現在的時點和同移距離是相等的)。現在推測可觀測宇宙半徑約為460億光年,直徑約為930億光年。根據宇宙學原理,從任何方向到可觀測宇宙邊緣的距離大致是相等的。

引自Observable universe

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求知分割線:
我知道很多同學是不能滿足上面的解答的,首先因為我是搞電池的(WTF,這是什麼專業?),當然更重要的是沒有講哈勃定律,沒有這個大牛,宇宙膨脹的故事遠遠不夠。

根據哈勃定律(Hubble"s law)我們得以明白,宇宙的空間是不斷膨脹的:

2013年3月21日,從普朗克衛星觀測獲得的數據,哈伯常數為67.80 ± 0.77 千米每秒每百萬秒差距(67.80 ± 0.77 km/s/Mpc)。

引自Hubble"s law
我們知道3.26 light-years(ly,光年)=1 parsec (pc,秒差)=3.085×10^(16) m
那麼1Mpc(百萬秒差)=3.26×10^(6) ly,也就是326萬光年
(之前的答案我在這裡犯了一個錯誤,就是忽略了單位是km/s/Mpc)
所以距離觀測者326萬光年的星系正在以6.78×10^(4) m/s的速度遠離,這只是距離326萬光年的,那麼我們可以看看距離觀察者138億光年的星系遠離速率有多大:

已經比較接近光速

那麼距離觀察者200億光年的星系的遠離速率:

已經超過光速了
那麼距離觀察者460億光年的星系呢?

妥妥的超了光速
一個光子被物體發射出後,在一個膨脹的宇宙中,它和發射它的物體之間的遠離速度可以表示為:

上式中,c是光速,H是Hubble Parameter(哈勃參數),x(t)是光子和發射它物體之間的距離。
稍微走一個變換:

初始條件是x(0)=0,所以有:

前面算過了,1Mpc(百萬秒差)=3.26×10^(6) ly=3.085×10^(19) km,把哈勃參數的單位換成[1/s],那麼:

好了,我們知道了哈勃參數的數值,知道宇宙的粗略年齡138億年,把已知條件帶入x(t)的表達式中,可以得到:

也就是231億光年,但是這個數值比上面說到的可視化宇宙的半徑460億光年小得太多了,肯定不對,哪裡錯了呢?——因為宇宙早期的膨脹速率要大得多
所以用可觀測宇宙的半徑x(13.8Gy)=46Gly反推回去:

根據

估算出H:

這就說明,有效哈勃參數(假設空間膨脹的速率跟大爆炸時候的一樣)的數值是之前算出來的兩倍還多。把這個哈勃參數帶回到x(t)的表達式中:

再把這兩個式子(前一個有空間膨脹,後一個沒有)單位歸一化後作圖,再清楚不過了:

根據哈勃表達式,當時間為138億年時,對應的可視化半徑為460億光年,修正成功!當然了,真正的計算要比我這個複雜的多。
以上參考:
How Can We See Galaxies 47 Billion Light Years Away When the Universe is Only 13 Billion Years Old?
The Hubble Deep Field: The Most Important Image Ever Taken::DeepAstronomy.com
http://arxiv.org/abs/astro-ph/0310233
Observable universe
https://www.youtube.com/watch?v=XBr4GkRnY04
https://www.quora.com/profile/John-Taylor-132
Hubble"s law
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這裡推薦一個視頻,之前也有人推薦過了:https://www.youtube.com/watch?v=XBr4GkRnY04
Veritasium的很多視頻都很精良。
有同學說鏈接掛了,這裡補一個:煎蛋小學堂:我們對可觀測宇宙的誤解


你的數據是正確的,可以不要理會 @沈一冰 的答案,他的數據是很普遍的誤解。[1]

我們現在看到的宇宙微波背景輻射,可以被認為是最早的光,是137億年前發出的,稍微做一些修正可以作為宇宙的年齡。
但是要注意,宇宙在膨脹 [2]。我們說的距離,是同一時刻兩個物體之間的距離。一艘船開過,10秒鐘後你在岸上看到水波,你不能說船此時距離你10波秒,這是刻舟求劍。460億光年就是考慮宇宙膨脹,修正後的距離 [3]。那個距離的天體發出光子的時候,離我們應該是4200萬光年。
上面是最重要的。修正時還要注意,描述宇宙膨脹的哈勃定理中的距離是現在的距離 [4]。130億年前的哈勃常數肯定很不一樣,這個隨時間的變化也要考慮進去。

關於超光速,這的確是偽超光速現象的一種 [5]。如果使用修正後的距離,很多星體遠超光速遠離我們。現在推斷大爆炸初期膨脹速度更加誇張。
相對論中的速度是局域概念,不適用於大尺度 [6]。要計算大尺度的速度,需要測量局域的速度(滿足相對論,不會超光速),然後加上宇宙膨漲的速度。這樣算出來的光速都不一定是常數了。
嚴格的說,所謂宇宙膨脹,膨脹的是宇宙本身的測度(metric) [2],而不是星體的遠離。靠譜的想像可以是一個正在被吹大的氣球表面的點,他們本身沒怎麼動,但是因為其載體的膨脹而互相遠離。
因此討論位置、速度、時間等概念,不能只考慮局部,忽略宇宙大尺度的結構和變化。

[1] http://en.wikipedia.org/wiki/Observable_universe#Size
[2] http://en.wikipedia.org/wiki/Metric_expansion_of_space
[3] http://en.wikipedia.org/wiki/Comoving_coordinates#Comoving_coordinates
[4] http://www.astro.ucla.edu/~wright/Dltt_is_Dumb.html
[5] http://en.wikipedia.org/wiki/Faster_than_light#Universal_expansion
[6] http://en.wikipedia.org/wiki/Comoving_distance#Uses_of_the_proper_distance


宇宙膨脹是時空本身的膨脹速度,它可以比真空中的光速大很多,但是狹義相對論中的速度是指時空背景固定以後,相對於該背景的速度。137億年前發出的光現在我們能看見,但是137億年以後發光體的距離早就超出137億光年了,我們看見的只是曾經的位置發出的光。。。


幾個高分的回答似乎都把問題弄得更複雜了,或許是因為都是COPY維基或QUORA等現成答案的緣故吧?其實CMB是BIG BANG發生以後38萬年時的景觀,當時的宇宙半徑大約是4千多萬光年。宇宙在經過137億年時間的加速膨脹後,其空間的半徑目前估計達到460億光年。這個目前宇宙的半徑是根據星系的紅移推算出來的。換句話說,就是通過紅移計算出宇宙的空間尺度如何從0.4億多光年在137億年的時間裡膨脹到了460億光年的。宇宙膨脹了大約1100倍。所以,在理論上我們「可以看到」460億光年遠的星系,然並卵。。。


粒子的視界半徑


題目里的結論就是錯的
我們並不能看到470億光年外的景象。470億光年並不是一個正確的數字,不知道什麼時候在知乎成為主流的。至少,470億光年是共動距離。意思是假定那些星系時間也是離大爆炸138億年的距離,而實際上,那些星系現在離大爆炸才沒多久,因為他們的時間和我們不同。
460億光年這個結論,根本沒有計算光路徑中的空間拉升
宇宙的半徑就是138億光年。
在布萊恩
格林的《隱藏的現實-平行宇宙是什麼》第155-158頁,專門說了這個問題明確說明了光飛馳而過後,他前後的空間也在拉升,光走過的軌跡的長度已經包含了宇宙的膨脹,於是我們測到130億光年的星系離地球的距離,就是他們現在離地球的距離,而不是130億年前。因此可觀測宇宙的大小是138億光年半徑,而不是470億光年半徑


今天剛好看到,轉了過來
煎蛋小學堂:我們對可觀測宇宙的誤解
視頻封面煎蛋小學堂:我們對可觀測宇宙的誤解視頻


因為光速有限,加之宇宙的膨脹,人類觀測宇宙存在一個「視界」,視界之外的宇宙觀測不到。這個視界的半徑是137億光年,所以這個視界最邊緣的光線傳播到人類的觀測儀器需要137億年的時間,而在這137億年的漫長時間段中,當初位於視界邊緣的天體因為宇宙膨脹會退行到距離地球470億光年的位置。所以比較準確的說法是人類觀測到的最遠的物體,是現在距離地球470億光年處的天體在137億年前的狀態。


光在走的過程中。宇宙還在膨脹。就這麼簡單。


在一個膨脹的空間中,相對觀測者距離越遠的位置,後退的速度越是快。當兩點達到一定距離的時候,其相對空間分離的速度就超過了光速。這就意味著一點發出的光永遠也達不到另外一點。

換句話說,宇宙膨脹的速度超過了光速。這並不違反相對論。


宇宙膨脹把130億年脹大成了430億年。


一. 這裡有個誤區,我們是真的看到了470光年之外的恆星的光了嗎??科學家只是說我們最遠能探測到的距離是470億光年,其實這裡存在兩個距離.1恆星發出這束光的時候與我們地球的距離.2.我們看到這束光的時候這顆恆星與地球的距離.其實這個470億光年只是我們看們到這束光的時候這顆恆星與地球的距離.根據現在的科學計算完全能實現..
二.宇宙現在到底有多大,依現在的科學還無法推斷,但顯然宇宙膨脹的速度明顯大於光速.至少在大爆炸初期大於光速(前提是宇宙大爆炸理論的正確.但誰又知道呢.就像古人們推測地心說一樣.)因為科技在不斷進步,相對論不是在所有的情況下都是對的.就像牛頓一樣.


樓主的意思是現在不是認為光速是最快的嗎,那麼宇宙大爆炸後也應該是光跑的更快,宇宙的邊界應該會是大爆炸後宇宙產生的光線所充滿的範圍。如果說470億光年是宇宙的範圍,那麼意思是宇宙的第一縷光線已經走了470億個年頭,那麼推斷宇宙的年齡應該是470億年,為什麼會是130億年呢。我的理解是宇宙在加速膨脹,就好比二樓視頻中說的那樣,我們能看到,宇宙外圍確實存在超光速膨脹現象,並且這種現象是相對我們太陽系觀測點這個參考系出現的,比如說太陽系附近的物質對於我們都是在光速以內的,因為這一個系統有著近似的相對速度,但是在離太陽系100億光年的距離的星體相對於太陽系可能就是超光速遠離我們,但是在那個100億光年的一定範圍內的星體最快的仍然是光速。就好比一架335m/s的飛機,這個速度是相對地球的,如果一個運動員以10m/s的速度向飛機飛行的反方向奔跑,那麼這個運動員的速度相對於這架飛機就是超音速了。所以我的理解是相對超光速是可以出現的,因為參照系不一樣,星際空間不同參考系內的時間快慢不一樣。但是在同一個參考系內,時間流逝的速度是相同的,速度越快,時間越慢,光速本來就是光每秒的速度,所以在一個參考系內最快的仍然是光速。那麼問題又來了,既然假設100億光年外的星空在以相對超光速遠離我們,那麼為什麼科學家又說能觀測到470億光年外天體發出的光線呢?其實一切的解釋都是越是遠離宇宙中心的星空越是加速膨脹,比如說100億光年外的星空在以相對宇宙中心2倍光速膨脹,我們太陽系那麼此時相對於宇宙中心0.8倍光速膨脹,那麼100億光年外的星空以相對我們1.2倍光速遠離我們,那麼朝我們地球發出的光線在以0.2倍的光速遠離我們。10億年後,假設這個相對宇宙中心的速度變為2.5倍光速,貌似這個地方的光線是離我們越來越遠了。但是別忘了一點太陽系也在加速膨脹,假設10億年後太陽系相對於宇宙中心的光速為1.1倍光速;那麼好了,100億光年外的星空在10億年前發出的光線相對我們的速度終於變成了-0.1倍的光速,最終在某一天我們的太陽系追上了這縷光線,他才被我們觀測到,但其實100億光年外的那個星空此時已經不知道在哪了,可能已經離我們150億光年了。但我們測到的距離只有110億光年,所以必須進行修正。這也是為什麼說宇宙誕生了130億年,但是能觀測範圍有470億光年,其實還有偶們沒有追上的光線,那麼宇宙實際的範圍多大,不得而知。也許是1000億光年,也許是無限。。。
有的童鞋要問了,你說100億光年外的那個星空在加速遠離我們,但是你論證的時候卻把它發出的光線當成恆定速度,它發出的光也應該是屬於那個星空的啊,不也應該加速遠離我們才對啊。good question! 宇宙膨脹理論認為越外層的加速度越大,所以那個100億光年外的星空背朝宇宙中心的光在不斷加速,並且加速度越來越大,但是正對宇宙中心發出的光則加速度越來越小,最終有一天被我們加速追上


因為年是時間,而光年是長度啊。
一顆三歲的星星不妨礙你從五光年外看它啊。因為宇宙在膨脹,它剛出生的時候你們在一起,三年過去宇宙膨脹造成你們之間有五光年距離,這樣可以理解嗎?


不是物理方面的研究者,僅僅是一個充滿好奇的人,對這方面略有了解。

好在題主說的是通俗易懂的答案,就懶得引用文獻搞得無比嚴謹,簡單地滿足下好奇心吧

關於題主的問題,我在某處看到一個觀點:在宇宙大爆炸開始的10^-32秒(10的負32次冪)內,宇宙就從一個奇點大小膨脹到了非常大的體積, 在這個極短的時間內,當今的物理理論完全不適用,在這個時間段內,宇宙膨脹的速度是超光速的。

再者,當前人類所創造的文明,遠遠沒有成熟到能讓人類很好地認識深奧的宇宙。


人類對宇宙的認知來自於「觀察」--「推理」,與盲人摸象的方法完全相同。

舉個粒子。盲人摸象中,摸到象腿的說大象是柱子,摸到肚皮的會說大象是一面牆,摸到尾巴的會說是繩子。但因為肚皮的面積相對較大,更容易被取樣驗證,因此「牆理論」似乎比「柱子理論」「繩理論」證據更充分,於是「牆理論」佔據學術主流,但畢竟有象腿和尾巴等明顯與「牆理論」不符合的存在,於是「牆理論」的支持者和繼承者便對「牆理論」進行修正,說這是一面藝術牆,上面雕刻有柱子、繩子類的東西,似乎解決了三個學說的衝突,於是皆大歡喜。從此「藝術牆理論」完美地解決了眾瞎子對「大象」的認知:大象是一面布滿各種雕刻的藝術牆。

除非,某一天,經歷無數次充分採樣觀察,眾瞎子殘酷地意識到,大象是大象,而並不是一面藝術牆。

而我們人類在宇宙面前,連瞎子都不如。

2015年5月21日更新如下:

似乎扯遠了,但我覺得這才是問題的核心:目前的科學研究都是先「觀察」到結果,然後提出一套假設的理論來解釋所「觀察」到的結果,最後通過更多的「觀察」來驗證完善理論,直到理論成為真理性的存在。
但是,但是,理論即使成為了真理性的存在,也不是真理。

最好的例子是牛頓的萬有引力學說。從觀察到蘋果落地這一現象,到提出萬有引力假設,再到經過無數實例驗證和多次完善,萬有引力學說成為了真理性的存在,被常識化。

但是,萬有引力的本質是什麼呢?牛頓本人也說過無法解釋萬有引力如何產生,我念高中物理時曾想:為什麼地球和月球這麼兩團「大石頭」能互相牽引?本質原因是什麼?

好奇心驅使我關注了相關信息,有一個理論認為:兩個物體之間產生引力是因為交換了引力子。而愛因斯坦的相對論似乎否認了引力的存在,認為引力是空間扭曲的表現。(非專業、僅僅是個人理解,若有霧,請專業人士指點迷津)

似乎還是跟題主的問題沒有關聯。我慢慢理清下邏輯。

前面說的是,儘管現在的萬有引力學說很好地解釋了蘋果落地等等現象,也被大眾普遍認同,但是,萬有引力與蘋果落地不能劃等號,蘋果落地可能有很多個解釋,萬有引力學說只是目前最合理的解釋。但蘋果落地的「本質」原因是什麼呢,不知道,也許將來有一個新的理論比萬有引力更合適。

題主所說的,目前可觀測到的宇宙半徑在460億光年,這是關於宇宙的一個「觀察」結果,大爆炸理論是用來解釋宇宙的一個理論,大爆炸理論推算宇宙年齡為140億年也近似一個解釋宇宙的理論。

要讓460億光年這個觀察結果能對大爆炸理論產生「挑戰」,還需要另一個理論的邏輯支持:光速是速度的極限,而後者來源於愛因斯坦的相對論中的一個假設。

也就是說,題主的問題可以簡化一下:光如何在140億年內跑出460億光年遠的距離?

顯然存在邏輯錯誤嘛。

這個就可以用我之前的那個答案粗略解釋:在光產生之前,宇宙已經膨脹到了很大的直徑。之後,才有了光。

也許有一天,大爆炸理論和相對論都會被新的理論取代,新的理論能帶給我們關於宇宙更合理的解釋、更好的認知。

但是,還是之前的觀點:這些理論都是用來解釋我們所觀察到的現象的,這些理論也許能解釋現象產生的本質,也許不能。

最後,啰嗦了那麼多,其實我的觀點是:科學只是用來解釋這個世界的一種手段,遇到科學解釋不了的,是手段的不足。從尋找現象背後的本質來講,哲學似乎更合適,而且我個人認為,科學有時需要哲學的指導,科學和哲學都解釋不了的,我傾向於用神學解釋。


在宇宙膨脹過程中 空間本身是在伸展的 兩個星體遠離的速度可以超過光速


有個問題我想問一下,既然宇宙是膨脹的,那麼你我之間不也是膨脹的嗎,地球是膨脹的,太陽系也是膨脹的,那為什麼太陽仍然在每年的同一天同時升起?


光速不可超越是指物質…空間本身的膨脹速度可以超越光速…


看到最多贊的回答,我就笑了,這問題就像「一滴水從萬米高空落下是否能砸死人」一樣簡單,而科學家們還列出了各種理論和方程。
答案就像「難道你們沒淋過雨嗎」一樣初級。假設兩條線段,延長速度都接近光速,一條只能一端延長,另一條兩端延長,你們說最終哪條長?


宇宙在膨脹,我們也都在膨脹。當電磁力使固體始終保持固體,能量還守恆嗎?


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