宇宙年齡僅138億年,但直徑卻有24萬億光年,為什麼會超光速?

宇宙年齡僅138億年,但直徑卻有24萬億光年,為什麼會超光速?

​根據現代宇宙學,宇宙的時間和空間都是創生於138億年前的奇點。138億年過去了,宇宙的直徑膨脹為930億光年,膨脹速度為光速的3.37倍,這與相對論所說的光速最快不矛盾嗎?宇宙的半徑不應該是“宇宙年齡×光速=138億光年”嗎?

事實上,無論是宇宙大爆炸理論,還是相對論,都是科學界廣為接受的理論,這兩者並不存在衝突。而且宇宙的直徑並非930億光年,也不是138億光年,而是至少達到24萬億光年。

宇宙年齡僅138億年,但直徑卻有24萬億光年,為什麼會超光速?

930億光年只是可觀測宇宙的大小,地球位於這個範圍的中心。地心說早就被推翻,地球並不是整個宇宙的中心,因此,以地球為中心的可觀測宇宙不會是整個宇宙的大小。

我們在地球上只能觀測到半徑為465億光年的宇宙範圍,此即為可觀測宇宙。整個宇宙要比可觀測宇宙大得多,還有很大一部分宇宙是我們目前所無法觀測到的。

宇宙年齡僅138億年,但直徑卻有24萬億光年,為什麼會超光速?

那麼,為什麼會有可觀測宇宙的概念?為什麼可觀測宇宙和整個宇宙會那麼大?

宇宙膨脹的本質

首先,需要明白宇宙膨脹是怎麼回事。在138億年前,創造宇宙的奇點並不是身處無盡空間中,然後在虛無的空間中不斷膨脹。事實上,奇點不在空間中,而是奇點創造出了空間,宇宙誕生前並沒有空間。宇宙不是膨脹到空間中,其實是宇宙本身在不斷創造出空間,空間是無中生有的。

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隨著時間的推移,空間自身結構不斷擴張,空間中的物質就會被互相分開。這就好比在一個氣球表面上有很多螞蟻,當氣球膨脹時,即便螞蟻不在氣球上走動,它們之間也會被互相分開。最初距離越遠的螞蟻,它們互相遠離的速度越快,甚至可以超光速。

如果空間中的物體相距足夠遠,它們之間的空間快速擴張,可以使它們互相遠離的速度超過光速。然而,物體本身相對於背景空間的運動速度並不會超光速,相對論所說的光速最快指的是這種局域速度。空間膨脹速度可以任意快,與相對論中的局域速度概念是兩碼事。

可觀測宇宙

宇宙年齡僅138億年,但直徑卻有24萬億光年,為什麼會超光速?

宇宙一開始沒有自由運動的光子,因為早期宇宙密度極高,光子與帶電粒子互相耦合。直到宇宙形成大約38萬年後,宇宙的直徑膨脹到1億光年,物質密度變得足夠低,光子才能在宇宙中自由傳播。

這些光子至今還在整個宇宙中傳播,我們在地球上可以接收到它們。只是因為經過漫長的空間膨脹,當年的光子已經衰減為微波——宇宙微波背景輻射。只要能夠精確測量出宇宙中最古老光子的時間,也就能知道宇宙的確切年齡。

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無論我們沿著何方望向宇宙的盡頭,最終只能看到宇宙微波背景輻射。隨著空間膨脹,當年那些輻射出這些光子的物質已經退行到距離地球465億光年的地方,這就是可觀測宇宙的盡頭。

不可觀測宇宙

在宇宙變得透光之時,那些發出第一批光子的物質距離地球誕生前所在位置約為4200萬光年,而當時整個宇宙的直徑可達1億光年。由於光速有限,時間有限,宇宙中還有很大一部分的光子還沒來得及到達地球,這些地方就成了不可觀測宇宙。

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隨著時間的推移,不可觀測宇宙中的一些光子將有足夠的時間來到地球上,所以我們的可觀測宇宙大小還會變得越來越大。據估計,未來的可觀測宇宙直徑最大將會擴大為1230億光年。

然而,天文學家在上個世紀末發現,宇宙膨脹速度正在加快,這意味著宇宙中會有越來越多的地方最終會以超光速遠離我們,那裡發出的光無論過多長時間都不會到達地球,所以可觀測宇宙的大小最終會變得越來越小。經過漫長的時間之後,但本星系群的星系合併成一個星系時,我們將再也無法觀測到河外星系。

宇宙年齡僅138億年,但直徑卻有24萬億光年,為什麼會超光速?

目前,整個宇宙的大小估計為24萬億光年,這是空間經過138億年膨脹的結果,宇宙整體的膨脹速度可達光速的870倍。不過,這個膨脹速度其實要遠遠慢於宇宙最初時刻的空間暴脹速度。

宇宙的未來

宇宙在誕生僅10^-35秒時經歷了一次空間暴脹,宇宙大小呈指數式地擴張。如果宇宙的大小在暴脹之前猶如一個乒乓球,那麼,在經過10^-33秒的空間暴脹之後,宇宙的半徑將會擴大為2.1億光年。

宇宙年齡僅138億年,但直徑卻有24萬億光年,為什麼會超光速?

從目前的情況來看,宇宙被暗能量所主宰,其佔比可達宇宙質能總量的68%。這種空間的固有能量會起到排斥引力的作用,它們正在推動空間加速膨脹。在暗能量的驅使下,整個宇宙還會快速擴張。如果宇宙沒有足夠的引力來對抗暗能量,整個宇宙將會無限膨脹下去。


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