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?

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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,因為推匯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。

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後來哈勃在對遙遠天體進行長期觀測時,透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。透過光的多普勒效應,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。

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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,表示式為: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公里/秒/百萬秒差距。

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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透過大爆炸而來。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。科學家們透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。

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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,以最快速度執行,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公里,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公里,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,使得光線原本執行所需要的時間,會在空間膨脹帶來的影響下實際所透過的路程更長,因此經歷的時間也會變長。

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那麼,就會存在著一個臨界值,那就是光線的執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。

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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。

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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匯出來的的答案。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。

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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,本身並不攜帶任何資訊。