為什麼宇宙只有138億歲,直徑卻有920億光年?
這問題對於很多人最大的困惑,無非是138億年,930億光年,以及光速三者之間似乎存在無法理解的矛盾。
我們很多人都疑惑:宇宙的半徑=宇宙年齡×光速,得出的直徑272億光年,這樣求出的直徑不對嗎?
為什麼宇宙直徑不是272億光年,而是920億光年?
這樣的矛盾,其實是我們對宇宙的膨脹根本沒有實質性的理解。
下面,請身臨其境地想像我給你的草地,你會理解宇宙怎麼個膨脹法了。
272億光年的宇宙怎麼膨脹的?272億光年的直徑,實際上只是一種宇宙邊緣不斷擴張的結果。
這如何理解?
這相當於你站在一個足球場的中心,你按特定的速度走向邊緣。
把你離開中心開始走動的那一刻類比宇宙大爆炸,大爆炸的中心就是你足球場的中心。
從你到足球場邊緣的過程中(宇宙膨脹),整個足球場的草地始終不動(比如一棵小草和另一個棵小草的距離始終保持不變),走到某一處邊緣(宇宙的邊緣),假如你測得你距離你離開的足球場中心距離為d=13.7米。
這樣類比得出的宇宙,就是宇宙空間本身並不膨脹,只是它的邊緣在擴張。
920億光年的宇宙如何膨脹?還是同樣的足球場,你還是以同樣的速度走向原來的邊緣,如果足球場的草地仍然是靜止的,那麼當你走到上次的那個邊緣,你距離足球場的中心仍然是同樣的距離d=13.7米。
但是假設你第二次去走這個足球場的時候,球場中心有一個能用腳踩的按鈕,這個按鈕被你一開始踩在了腳下,只要你開始走動,按鈕就會彈起(宇宙大爆炸)。
這個按鈕能使整個草地擴張(宇宙膨脹),而不只是邊緣擴張(原來的兩棵小草間的距離變大了)。
假設這個草地的「動」,還是趕不上你的腳步,你最終走到了你第一次的那個邊緣(宇宙的邊緣),那裡也多出了一個腳踩的按鈕,你踩住了它,草地停止了「動」。
這時候,你測量一下你離足球場的中心,距離可就不只是d=13.7米了,很可能是另一個d=46.0米。
這個就可以類比整個宇宙都在膨脹。
結語這樣一個很貼近現實的例子,我覺得能解答你的疑惑了。
實際上,我說的那種草地的「動」,類比宇宙的動,就是宇宙空間本身的膨脹,這個膨脹在整個宇宙都在發生。
包括你的身體,你的左耳朵和你的右耳朵距離在變大,你左邊的眼睛和右邊的眼睛距離也在變大……只是這種效應在宇宙的小尺度上太微小了。
為什麼我們會觀察到星系在遠離我們?事實上,星系並沒有動,是空間膨脹,拉開了我們之間的距離而已。
這種宇宙的「動」,在天文學上有專門的一個一個名詞描述,即共動,它對應的距離,就叫共動距離。
上面箭頭的紅方框地方,就是我們現在的宇宙。
普朗克衛星的數據將宇宙年齡精確到了138.2億年,目前的可觀測宇宙也就是哈勃體積直徑為930億光年,也就是以地球為中心半徑465億光年的球形空間,迄今為止我們看到的一切天體都在這個範圍內。
需要明確的是930億光年只是人類可觀測宇宙的大小,這個範圍之外還有龐大的未觀測宇宙,只不過礙於光速限制那裡的光還沒有飛到地球上來。
現代宇宙學認為138.2億年前的那場大爆炸使得宇宙空間本身出現了超過光速的暴漲,甚至直到今天我們的宇宙仍然在加速膨脹之中,由於這種空間膨脹是不受相對論制約的,因此可觀測宇宙才能變得這麼大。
狹義相對論中的質能方程只約束了靜止質量不為零的物體,宇宙空間本身的膨脹完全可以無視相對論制約,確切的說相對論只能約束空間內的物質而不是空間本身。
在可以預見的未來,星系之間的距離會因為空間膨脹而越來越大,理論上如果宇宙一直膨脹下去的話就會出現大撕裂現象,也就是說空間膨脹的力量將撕碎每一個原子從而徹底的毀滅宇宙。
宇宙的年齡和大小並沒有什麼必然的關係,就好像一個人的年齡和身高體重沒有必然關係一樣,現在15歲的孩子都能長到一米八了。
如果按照歐洲航天局公布的普朗克衛星在2013年的觀測數據,宇宙膨脹的哈勃常數是67.80±0.77(km/s)/Mpc,以此推算宇宙年齡是147億年(是哈勃常數的倒數)。
所謂可觀察宇宙就是人類子孫後代一直觀察下去可觀察到的宇宙規模。
根據宇宙大爆炸理論,宇宙大爆炸瞬間是超光速膨脹的,因為宇宙大爆炸瞬間的光,被所謂的等離子湯掩蓋,對光是不透明的,在這段時間光穿不出來,所以按哈勃常數反推,宇宙規模顯然超出宇宙的年齡的。
這段時間的暴漲的宇宙體積不能按常規係數推測,超出人類認知的物理規律,完全不確定。所以根據大爆炸理論,宇宙規模可能超出宇宙年齡不知道多少倍,這個數字人類目前難以預料。
如果是在宇宙大爆炸後到現在,宇宙停止膨脹、也不收縮。那麼宇宙可觀察半徑可能就是任意的光年,超出人類預知範圍。
但是,宇宙大爆炸在形成現在的宇宙規模後,人類觀察發現宇宙依然在快速膨脹,膨脹速度與距離成正比 ,這數字就是宇宙膨脹的哈勃常數。
現在支持這個理論的科學家認為宇宙膨脹速度可以不受超光速的限制,所以按照這個推理,人類以後能觀察到的比遠處147億光年更遠的星球物質是在不斷遠離我們,他們越遠越有可能超出光速,如果這些可觀察星球物質,一旦超出光速,那麼這些星球物質的光就永遠到不了地球了,所以我們人類實際的可觀察宇宙半徑是有限的。
這個距離就是根據距離和速度的光速平衡點等數據推算的。半徑465億光年就是這樣推算出來的。
就是說等到大約318億年後,人類可觀察的宇宙規模會達到峰值。就是465億光年遠的星球也能被人類觀察到。但是過了大約318億年後,假設宇宙仍然一直在膨脹,那麼可觀察宇宙就會開始變得越來越小,等到某個時候,最後會只剩下地球自己,連月亮也會看不見。
把這個問題簡化一點,發令槍剛響了13.8秒,你卻跑出了2760萬億公里,你跑得真夠快的,可是問題來了,體能再好跑得再快也不能超光速吧,發令槍得火光都追不上你還得了?你肯定是個BUG,或者你開掛了,或者你作弊了,反正不可能的事就是發生了。
其實你沒開掛,也沒作弊,而是你起跑的同時跑道也在膨脹變長,你搭著跑道得順風車,在加上你原本就超快的速度,真的跑出了超光速的好成績。你確實就這麼牛逼!
下面講講跑道變長的機制,
額,不好講,很難表達,你查查哈勃常數,空間膨脹,退行速度這幾個詞條吧,字數太多無法複製粘貼,見諒[呲牙],總而言之,算了。
我想我們每一個人都很想知道我們身處其中的宇宙究竟有多大,又究竟存在了多少年,宇宙到底有多大?到底有多少歲?這是人們都愛問的問題。
我相信可能很多人當同時被告知宇宙的年齡為138億歲而宇宙的直徑有930億光年時可能會發出這樣的疑問:「這麼說不是自相矛盾的嗎?」按照我們常人的理解,我們的宇宙是在一場大爆炸中誕生的,從大爆炸到今天已經過去了138億年,這是因為科學家們發現大爆炸產生的光子,經過了長達138億年的飛行,最終被我們發現了,但是與此同時,科學家們又在告訴我們,宇宙的直徑可能足足有930億光年,那麼這到底是怎麼回事呢?
其實這裡提到的宇宙的直徑,應該是指的是可觀測宇宙直徑,也就是說,以地球為中心的話,可觀測宇宙的半徑有465億年。這麼一說倒是有點奇怪了,科學家不是一直告訴我們,宇宙中最快的速度就是光速,那麼大爆炸之初產生的光子,飛到現在不也就經過了138億年嗎?也就是說,大爆炸產生的光子,距離我們最遠是138億光年,所以按道理來說,我們可觀測的宇宙半徑,應該就是138億光年,而不是465億光年。
為了解釋這個問題,科學家提出了宇宙膨脹的概念,我們的宇宙最初從一個奇點經過熱核爆炸後就一直處於極速膨脹的狀態,而且膨脹的速度也是越來越快。實際上,現在宇宙的膨脹速度,已經超過了光速,儘管光子飛行的時間是138億光年,它卻能跨越465億光年的維度,這都是因為宇宙膨脹導致的。宇宙膨脹的速度雖然超越了光速,但是這並沒有違背相對論,因為宇宙膨脹本身是不傳遞信息的,所以跟一般的物體運動是不同的概念。
有一點需要搞清楚的是,我們說到的宇宙的可觀測半徑為465億光年,這並不意味著我們真的可以通過望遠鏡看到距離地球465億光年外有什麼,我們能夠用望遠鏡看到的最遠距離,就是138億光年。可觀測宇宙,簡單來說就是以觀測者為中心所能觀測到的宇宙範圍。測量宇宙的可觀測範圍,那當然不能真的用望遠鏡觀測,實際上這個數據是計算出來的,科學家通過測量宇宙微波背景輻射粒子的紅移量,計算出了宇宙的可觀測半徑。不過呢,在這個範圍之外到底是什麼呢,是宇宙還是不是宇宙,這倒是一個困擾科學家很多年的問題。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。
宇宙才誕生138億年,可觀測宇宙的直徑怎麼就能高達920億光年呢?豈不是違背了愛因斯坦的相對論?這是一個讓很多人感到困惑的問題。
實際上,要弄明白這個問題,關鍵在於弄明白宇宙膨脹的一個要點——宇宙膨脹並不是宇宙在空間中膨脹,而是空間本身在膨脹。
而相對論中所謂的光速是宇宙中最快速度,指的是物體在宇宙空間中的運動速度無法超越光速。
也就是說,相對論中的光速限制對宇宙空間本身的膨脹而言是無效的,宇宙空間的超光速膨脹並不違反相對論。尤其是在暴漲時期,宇宙的膨脹速度達到了不可思議的程度——宇宙空間幾乎一瞬間就在線性尺度上至少膨脹了10的26次方倍。
所以,儘管宇宙才誕生138億年,但空間本身的超光速膨脹使得可觀測宇宙的直徑高達920億光年。
若要問宇宙空間的膨脹為什麼能超光速,最好的答案或許是——The universe itself can do whatever the hell it wants to do !翻譯過來就是宇宙他媽想幹嘛就幹嘛!
其實大部分人都停留在一個思維誤區,宇宙在138億年前發生了宇宙大爆炸,宇宙從此誕生,按照宇宙中最快的速度為光速,那麼現在宇宙直徑也應該是138億光年,然而事實並不是這樣。
首先說說宇宙的年齡是怎麼測出來的,宇宙大爆炸之後,經過了30多萬年之後,宇宙中的光子才開始向四面八方傳播,這時宇宙直徑已經1億光年了,也就是說宇宙的大小並不是由光子不斷延伸而擴大的。人們通過檢測最早的那一部分光子,也叫做宇宙第一束光,從而得出宇宙的年齡為138億年。
宇宙的直徑又是怎麼算出來的呢?首先說明,930億光年只是可觀測到宇宙直徑(以觀測者為中心,半徑465億光年的球體),宇宙真實的大小更大,測量宇宙的半徑是通過測定宇宙微波背景輻射,粒子的紅移量,才得到了共動距離,所以說這是可觀測宇宙的半徑。
至於為什麼宇宙半徑超過了宇宙誕生時間光速所能走過的最大距離,這裡就要提到宇宙膨脹了,就好比一個房間內有幾個人,如果房間變大,人之間的距離也會變長;我們所得到的光速,距離都是在沒有算上宇宙膨脹的基礎上的,而且宇宙膨脹的速度時時刻刻都在不停的加速。
儘管相對論中光速是最快的速度,但是宇宙膨脹的速度確是大於光速的,這並不矛盾,正是因為宇宙膨脹,才使得宇宙空間更大。這只是作為觀測者看到的一種觀察效應。
總之,宇宙年齡並不能決定宇宙的的大小,因為宇宙是通過膨脹變大的,而不是通過光子的飛行才擴大的。
關於這個問題,有些人可能會這樣反問:「為什麼小明只有15歲,但身高卻有1.8米?」會這樣問的人,其實是完全不清楚宇宙演化是怎麼回事。
相對論告訴我們,任何物體的運動速度都不能比光速更快,這意味著年齡為138億年的宇宙,當年從奇點開始膨脹至今的半徑不應該超過138億光年。然而,事實上,宇宙的範圍遠遠比這個更大,僅可觀測部分的半徑就有465億光年,而不可觀測部分可能高達十幾萬億光年。那麼,這究竟是怎麼回事呢?
為解答這個問題,需要知道宇宙是如何變得越來越大。宇宙變大源於空間本身的不斷膨脹,而不是宇宙在一個無限空間中不斷變大。空間不斷無中生有,這就會使得宇宙越變越大。相對論限制物體在空間中的運動速度不能快於光速,但不限制空間本身擴張的速度超過光速。
想像一下,假如隨著空間膨脹,每隔一秒距離增加一倍。那麼,原先1米的距離在空間膨脹後變為2米,膨脹速度為1米/秒;原先10米的距離在空間膨脹後變為20米,膨脹速度為10米/秒;原先100萬千米的距離在空間膨脹後變為200萬千米,膨脹速度為100萬千米/秒,這已經遠超過光速。正是由於空間的持續膨脹,宇宙才在138億年里膨脹到如今巨大的規模。
138億年、絕對膨脹不了930億光年的範圍、也就是138億年、爆炸出來的星星飛不了半徑465億光年那麼遠、因為爆炸後、星星是四面八方像煙花那樣子散開分裂的、所以,、
我們可以理解為一個星系星團各自爆炸了一次或者幾次、那麼就無需強求138億年星星飛465億光年的距離了、因為實在飛不了那麼遙遠、
我們理解一個星系星團各自爆炸了一次、還好解謎團、比如銀河系中心爆炸了一次、獅子座爆炸了一次、其它星系各自爆炸了一次、銀河系爆炸出來的星星在銀河系、獅子座爆炸出來的星星在獅子座範圍、這樣子的解釋稍微滿意嗎?
138億年前、太陽和地球在銀河系中心由於爆炸、被分裂分散開來、經過138億年的飛行、我們才飛到距離銀河系中心2.5萬光年的距離位置!
計算下、2.5萬光年的距離、138億年的時間、求得飛行速度!因為感覺138億年也只能飛2.5萬光年了、哪裡能飛幾百億光年、除非是光速的幾百倍、但是科學家沒發現公轉那麼快的宇宙天體!!包括流星、、
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