宇宙才誕生了138億年,為何可觀測宇宙的直徑卻達到了930億光年?

人類對於宇宙的認識,其實是一個十分緩慢的過程,從古代科學的“天圓地方”,再到古希臘的“地心說”,最後到哥白尼的“日心說”,推翻了天文學的根本變革,但事實上太陽也不是宇宙的中心。

現在人類已經根據理論得到,我們有著以地球為中心,930億光年的可觀測直徑。但是宇宙大爆炸理論又提出,宇宙誕生於138億年前的一次大爆炸,如果說光速是宇宙速度的上限,為什麼138億年後,宇宙的大小不是138億光年的半徑範圍?這中間是否存在矛盾?

宇宙才誕生了138億年,為何可觀測宇宙的直徑卻達到了930億光年?


首先我們要從宇宙的誕生開始說起。

早在1929年,著名的物理學家哈勃就觀測到了一種神奇的現象:

這種現象表示:離我們越遠的星系,他觀測到的顏色就越偏向於紅色,於是科學家就鎖定了一些星系,發現這些星系呈現出的紅色甚至越來越明顯的,由此推斷:這些星系正在遠離地球。並把它命名為:紅移現象。

所謂紅移現象最初是針對機械波而言的,即一個相對於觀察者運動著的物體如果離得越遠,那麼它發出的聲音就越渾厚(波長比較長),相反離得越近那麼發出的聲音越尖細(波長比較短)。

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之後哈勃通過進一步的觀測,發現地球之外似乎所有的遙遠的星系還有星系團都在遠離地球(觀測點),並且距離越遠,遠離的速度也越快。

最後埃爾德·哈勃得出一個重要的結論:

宇宙正在變大。

然後哈勃做出推理:既然現在的星系和星系團之間的距離是在一直增大,那麼時間往前倒退:它們一開始一定距離非常近。

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從這一結論出發,天文學家得出來一個觀點:很久之前,宇宙可能處於一個密度極高,溫度也極高的狀態。

到了1931年,天文學家喬治·勒梅特首次提出了有關宇宙起源的大爆炸理論,他本人把這個理論命名為“原生原子的假說”。

這個理論大致意思是:

宇宙現在正在向外膨脹,假如從時間上進行反演那就說明著宇宙在向內坍塌,這個過程會一直進行到不能再繼續為止。最終宇宙中所有的質量都會集中在一個點,這個點就叫做“原生原子”

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而到1948年,伽莫夫對具體的熱大爆炸理論又有了更精確的描述:

他認為在大約150億年前的時候,宇宙只是一個極其微小的點,然後由於某種原因這個點變成了一個溫度極高的“火球”,後來這個“火球”發生了大爆炸,爆炸使得組成火球的物質散落到各處,高溫物質冷卻之後,密度開始降低,就這樣質子、中子等基本物質才誕生。最後經過了不停的膨脹、演變,宇宙就這樣形成了。

當然,如果僅僅靠宇宙膨脹的觀點就推測出宇宙大爆炸的理論,很明顯是沒有說服力的,這就需要更多的證據來支持這個理論。

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關於宇宙大爆炸更有力的證據


微波背景輻射起源於熱宇宙的早期,其是溫度近於2.7K的黑體輻射,也被稱為3K背景輻射。

1964年,阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜在使用一臺微波接收器時,無意中探測到了宇宙微波背景輻射。

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背景輻射的黑體譜現象表明了微波背景輻射是在極大時空範圍內發生的的事件,而背景輻射的各向同性又說明在不同的方向上,兩個相距非常遙遠的天區之間,存在過相互之間的聯繫,通俗來說就是:

大概大爆炸之後38萬年,宇宙中出現了第一束光,隨著宇宙的膨脹,這束光的能量逐漸降低,直到最後降到了微波頻段。

人們觀測到的微波背景輻射圖描述的就是宇宙早期的狀態。這些輻射對應的溫度剛好是2.7K,這就是宇宙微波背景輻射的由來。

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宇宙微波背景輻射為宇宙大爆炸理論提供了強有力的支持。之後,科學家才開始相信宇宙大爆炸理論。

  • 那麼138億年這個精確的數又是如何得到的?

儘管對於宇宙的年齡一直都有爭議,因為提出一個理論,總要需要經過無數次的實驗修改才能被廣泛的接受。

宇宙至今存在了138億年,其實這個數據的誕生還是要功歸於哈勃的努力。

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哈勃最開始提出的“哈勃紅移”其實就是用來計算宇宙的年齡,他發現當恆星或星系遠離地球時,從地球上接收到的恆星光譜會向紅色的一端移動,反之則會向藍色的一端移動,還得出了紅移會隨著距離的增大而增大,最後總結出了著名的哈勃定律。

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計算出哈勃常數,也就得到了宇宙的年齡。

科學家經過長期對哈勃常數的測算加上微波背景輻射的共同測算,得出宇宙的年齡為大約為138.2億歲

那麼問題來了,為何可觀測宇宙的直徑卻有930億年,遠大於138億光年。

值得注意的是,可觀測宇宙不是已經看到的宇宙,我們現在其實還沒有觀測到來自456億光年外的光。這個930億光年的直徑只是根據理論,我們可以看到的宇宙的範圍。

宇宙才誕生了138億年,為何可觀測宇宙的直徑卻達到了930億光年?

因為930億光年外的光,由於宇宙的加速膨脹,導致我們再也無法接收到這些光線,所以就成了不可觀測宇宙。真實的宇宙大小,要遠遠大於930億光年的範圍。

而宇宙年齡為138億歲,根據哈勃常數計算發現宇宙膨脹速度會導致星系之間的退行速度超光速。通俗來講就是:

因為宇宙超光速膨脹,可觀測宇宙的直徑達到了930億年的範圍,而真實的宇宙大小,要遠遠大於930億光年的範圍。


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相對論指出指任何攜帶信息能量的東西都無法超越光速,而宇宙膨脹是空間的膨脹,這個過程中不攜帶任何能量和信息。

所以說宇宙的超光速膨脹並不違反愛因斯坦的相對論,這是因為宇宙膨脹是時空本身的膨脹,並不是物質在膨脹。愛因斯坦的相對論也是是有條件限制的,並有沒指出宇宙中不存在超越光速的現象

宇宙才誕生了138億年,為何可觀測宇宙的直徑卻達到了930億光年?

結語

  • 宇宙的年齡可以通過哈勃定律並再加上宇宙微波背景輻射就可以計算出是138億年。
  • 930億光年只是可觀測宇宙的大小,真實的宇宙還要更大。
  • 宇宙的大小遠和宇宙的年齡138億光年並不矛盾,因為宇宙在超光速膨脹。


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