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宇宙诞生才138亿年,宇宙大小为什么会有930亿光年?

很多人都听说过我们的可观测宇宙有930亿光年大,但它诞生至今却只有138亿年, 你可能会感到困惑,这是怎么一回事呢?不是说光速是恒定的吗?它只有那么快,我们是怎么看得到930亿…

很多人都听说过我们的可观测宇宙有930亿光年大,但它诞生至今却只有138亿年, 你可能会感到困惑,这是怎么一回事呢?不是说光速是恒定的吗?它只有那么快,我们是怎么看得到930亿光年外的宇宙的?

什么是可观测宇宙

首先说明一下,930亿光年指的是可观测宇宙的直径,半径是465亿光年。可观测宇宙是指以我们地球为中心,向各个方向所能看到的最远距离,这就是我们的可观测宇宙的半径范围,这个半径大约是465亿光年,超过这个半径以外的宇宙我们是观测不到的。而这个半径在三维空间里就构成了一个以地球为中心的球体,这个球体就是我们的可观测宇宙的全部,它的直径就是930亿光年。

宇宙诞生才138亿年,宇宙大小为什么会有930亿光年?

宇宙的距离没那么简单

实际上我们的宇宙的直径是肯定不止930亿光年的,自然它的半径也肯定不止465亿光年。但是即使是这465亿光年,也并不是实际观测到的距离值,也就是说,它并不是我们现在能观测到的距离,而是一个理论计算值,而这个理论值是根据宇宙的年龄和用于计算宇宙膨胀速率的哈勃常数确定的。

至于这个理论值的具体含义我们稍后再说,我们从最简单也是最常见的距离讲起。

最直观的距离单位——光年

我们知道,按照现有的物理理论,光速是一个恒定的值,因此它可以用于计算距离,现在我们在计算宇宙天体的距离时常用的单位光年就是指光一年所经过的距离。而按照目前的宇宙大爆炸理论和测量得到的哈勃常数计算,宇宙的年龄约为138.2亿年。也就是目前我们所能接收到的最远的信息,最长的传播时间也就是138.2亿年,它们经过的距离就是138.2亿光年了。

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你会发现这个时候出现了两种距离,一个是465亿光年,一个是138.2亿光年。

以光为尺——光行距离

138.2亿光年这个距离就是我们第一个要介绍的宇宙学距离——光行距离。光行距离顾名思义就是光行进的距离,它只要以光速乘上一个具体的时间就能得到具体的距离。

因此,也就是说,由于我们宇宙的年龄所限,我们能看到的最远距离就是光行距离138.2光年,这就是我们的可观测极限。然而我们所处的宇宙并非是静态的,它从诞生开始就一直在不停地膨胀,因此当我们看到这些光行距离138.2亿年的天体时(暂且用天体吧,比较好理解),它们早已经不在原来的位置上了,也就是它们现在并不在138.2亿光年处。

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膨胀的宇宙

在上世纪20年代末,美国天文学家爱德文·哈勃利用对Ia型超新星的光谱分析,发现宇宙中所有方向上的远方星系都在远离我们,而且远离的速度与距离存在比例关系,距离地球越远,远离的速度越快。

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这种现象让已经从地球中心说和太阳中心说里解脱出来的科学家相当困惑,因为这意味着地球处在一个特殊的位置,类似于一个爆炸的中心。

不过很快,科学家就给出了一个最为简洁的解释:宇宙正在膨胀。

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我们可以试想象这样一种情况:在一个膨胀的气球表面,随着气球膨胀,气球上的a、b、c三个点会互相远离,我们假设b处在a和c之间,那么同一时间内ac之间膨胀的距离将等于ab之间膨胀的距离加速bc之间膨胀的距离,这样,在a看来,c远离的速度就会比b更快。

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空间在膨胀——共动距离

这样,地球就无需处在一个特殊的位置。但是问题来了,宇宙在膨胀,宇宙就不再是静态的了,它是一个动态宇宙。如果空间在膨胀,光速就没法代表真实的距离了……

试想一下,当一束光从a射向c,但这传播的过程中,a与c之间的空间一直在膨胀,当a到达c的时候,ac的距离早已不是原来的距离了。

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这就使距离变得比较复杂了,可以说根本没法确定距离,因为宇宙一直在膨胀,你想知道某个距离得先确定那是什么时候的距离,因为ac之间的实际距离随着空间的膨胀,每时每刻都不一样,它是随时间变化的……

既然观察到的空间膨胀是各向同性而均匀的,那能不能把尺子固定下来呢?也就是说随着空间膨胀,我们用来测量空间的尺子也一起膨胀,这样距离就不会随时间发生变化了,我们就可以定义任意时刻天体的距离,甚至宇宙的大小了。

答案是肯定的,而这种尺子随空间膨胀所测量的距离就叫共动距离。

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最直观的距离——固有距离

那么问题来了,这把尺子的数值是什么时候确定下来的呢?当然是现在了。因为我们对空间距离的定义是基于现在的,这意味着所有尺子的测量和定义都是基于现在的。

当尺子被固定下来后,宇宙的大小就不会再随时间变化了,那么它现在多大呢?答案就是前面所说的:465亿光年。这个就是我们可观测宇宙的实际半径,实际的直径也就是930亿光年。

这个值是怎么得到的呢?就是在确定了宇宙年龄后,光速138.2亿年时间所经过的距离,再根据哈勃常数得到的宇宙膨胀率计算在这138.2亿年里,这段距离现在膨胀到多大,计算结果就是465亿光年。

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