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宇宙历史只有138亿年,为什么可观测宇宙的半径465亿光年?

关于“宇宙到底有多大?”这个问题,客观地说,人类可能永远无法知道正确的答案

宇宙到底有多大?

关于“宇宙到底有多大?”这个问题,客观地说,人类可能永远无法知道正确的答案。为什么这么说呢?这其实需要从古代说起。

其实不同的古代文明,都不同程度地发展出了天文学。中国在近代以前,具有全世界最详尽的天文观测数据的文明。天文观测可以帮助人类准确地记录时间,也对古人的哲学理论有十分重要的帮助。

不过,客观地说,古人认为的宇宙大小要远远小于如今人类对于宇宙大小的认知。我们以古希腊为例,古希腊哲学家认为宇宙的大小就是最外层天球的大小,最外层天球上镶嵌着几乎不动的各类天体,地球是宇宙的中心,各个天体都绕着地球转,这其实是很符合我们的主观直觉的,也就是大名鼎鼎的地心说。

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后来,我们知道哥白尼提出了日心说。但是这个日心说并没有扩大宇宙的大小,对于宇宙空间大小的认识其实还是处于古希腊的水平。

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再后来,牛顿提出了万有引力定律。不过,牛顿也很纠结,这是因为宇宙如果真像古希腊先哲和哥白尼所认为的那样,那根据万有引力定律,宇宙就应该在引力的作用下向中心挤压,最终压成一个点。

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问题是,宇宙根本没有发生这样的收缩。因此,这就和牛顿的万有引力定律相矛盾了。在无奈之下,牛顿为了弥补这个缺陷,他就提出宇宙是无限大的观念。如果宇宙是无限大的,那处处都是中心,处处引力都是平衡的,也就不会发生收缩的情况。

牛顿的这个观念听起来好像很有道理,但也有人是不买单的,这个人就是奥伯斯。他就寻思,如果宇宙是无限大的,那意味着宇宙中有无限多的天体,这就意味着有无限多的光源。那地球就应该有黑夜,因为无限多的光将会把地球照亮、

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奥伯斯的想法不能说完全没有道理,他确实是基于牛顿的认知提出来的一个观念,也很好地反驳了牛顿“无限大宇宙”的看法。如果我们也把这个叫做奥伯斯佯谬。那奥伯斯佯谬到底哪里出了问题?

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可观测宇宙

奥伯斯活跃的年度大概是距今200年前左右。在他之后,有两门科学快速发展,一门是电磁学,一门是宇宙学。这两门学科的发展才让我们明白奥伯斯佯谬的错误。

具体来说是这样的,当时的人们通过理论推导和实验,得到了光速的范围,如今我们也知道,光速大概是3*10^8m/s。也就是说,即便是宇宙中有无数的天体,它们的光照过来,也是需要时间的,而不是瞬间达到的。那么,如果宇宙的永恒的,不随时间的流逝而变化,这就代表光有充足的时间传播到地球上,地球也还是应该没有黑夜。

后来,宇宙大爆炸理论诞生,我们通过测算哈勃常数,可以知道宇宙的年龄大概是138亿年。也就是说,给光传播的时间只有138亿年。宇宙历史只有138亿年,为什么可观测宇宙的半径465亿光年?

那按照这个看法,我们所能够看到的宇宙大小,其实就应该是一个138亿光年为半径的球体。超出这个球面的天体的光应该还在路上,没有到达地球,我们也把理论上我们能观测的宇宙称为可观测宇宙。那按照这个说法,我们就知道奥伯斯佯谬其实是不成立的,宇宙纵使有无限多的天体,但也并不是所有的光都能传播到地球上,但问题远远没有结束。

我们现在知道,可观测宇宙的半径是465亿光年,而不是138亿光年。那多出来的部分到底是咋来的呢?

宇宙历史只有138亿年,为什么可观测宇宙的半径465亿光年?

上世纪20年代,哈勃在观测银河系外星系时,就发现其中大部分的星系都在远离我们,而且距离我们越远的,远离的速度越快。如果是天体自己在运动,那应该是有的在靠近银河系,有的在远离,而不是应该是这样的规律。因此,只有一个解释,那就是宇宙正在发生膨胀。

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后来,科学家基于爱因斯坦的广义相对论,哈勃的发现以及量子力学建立了一套标准宇宙模型,地基就是宇宙大爆炸理论。他们还预言了两个关键证据,结果也都被找到了。于是宇宙大爆炸理论也逐渐被学术界所接受。

根据宇宙大爆炸理论,我们知道,宇宙诞生于138亿年前,随后开始发生剧烈的膨胀。因此,我们在考虑光是否能够达到地球时,也需要把膨胀的效应带入进去。

宇宙历史只有138亿年,为什么可观测宇宙的半径465亿光年?

如果带进去一计算,我们就会发现,可观测宇宙的半径可以达到461亿光年。那这其实距离465亿光年还是差了4光年。那这4光年又是咋来的呢?

其实上文我们一直都在说电磁波,或者说光的传播。但实际上,宇宙大爆炸之后,宇宙中充满了粒子,光子也被挤在其中,没有办法开始传播,这个情况一直持续到宇宙大爆炸后38万年。因此,461亿年的结果是按照宇宙大爆炸之后38万年,光子可以开始传播算起的,最早的38万年并没有计算在内。

可是我们其实可以利用引力波和中微子来观测这段时间的宇宙历史,因此,可观测宇宙也应该把这段时间也算上,并且也要考虑膨胀效应。

把上面的因素统统考虑进入后,我们就可以得到可观测宇宙的半径是465亿光年,直径也就是930亿光年了。

真实的宇宙有多大?

可观测宇宙其实不是宇宙,而只是宇宙的一部分,而且是极其小的一部分。那问题来了,真实的宇宙到底有多大呢?

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其实我们没有办法直接去测算这个尺度,不仅如此,宇宙其实是处于动态变化的,而不是固定不变的,因此,思考当下宇宙的大小其实意义不大,我们需要把时间因素也考虑进去,这样问题就变得极其复杂。

科学家换了一种方式,从宇宙的形状去思考的,如果宇宙是平坦的,那宇宙就应该是无限大的,如果宇宙是弯曲的,那它有可能是封闭的,也可能是无限大的。

宇宙历史只有138亿年,为什么可观测宇宙的半径465亿光年?

根据如今的观测来看,宇宙在千分之六的精度上是平坦的,也就是说,宇宙可能是无限大的。但这里要多说一句,这个测算的结果其实误差还是比较大的,关于宇宙到底有多大,其实还需要后续更多的探测器所探测到的数据来判断。

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