【雄文】为什么宇宙年龄138亿年,宇宙直径却有930亿光年?

今日上海网 2019-08-04

【雄文】为什么宇宙年龄138亿年,宇宙直径却有930亿光年?

宇宙到底有多大?多少岁?这是仰望星空的人常爱问的两大问题。

但刚开始接触宇宙学的人,很可能遭遇一种困惑:一方面得知宇宙年龄有138亿年,另一方面却被告知宇宙最大直径高达930亿光年,这不是自相矛盾吗?

因为按照这些人的理解,从宇宙大爆炸一直到现在138亿年,科学家们一定是找到了确切证据——大爆炸产生的光子,经过漫长的138亿年飞行,终于被我们发现了。(这就像考古学家发现了霸王龙化石,进而确定它们曾生活在6700万~6500万年前一样。)

但,与此同时,科学家又在斩钉截铁地告诉我们:宇宙最大直径竟有930亿光年,也就是说,以地球为中心的可观测宇宙半径有465亿光年。

【雄文】为什么宇宙年龄138亿年,宇宙直径却有930亿光年?

作者:程亦之

来源:知乎

这么看来,宇宙创世之初——大爆炸最早诞生的光子,飞到现在不是才138亿年吗?为什么科学家竟然会发现465亿光年之外的星体呢?就是说为什么能够发现飞行了465亿年的星光呢?

这不是再明显不过的自相矛盾嘛?!到底科学家集体发昏?还是另有真相?

这的确是个有趣又有料的好问题。科学家告诉我们这两个数据其实没毛病,有毛病的是我们理解有误,以及读书太少。

没耐心刷屏的,一句话告诉你答案,这是宇宙膨胀搞的鬼。

没看懂?那就看一个简单的比喻吧——

你现在走在机场的步行直梯上,匀速向前走,相对于步行直梯的步行速度是1米/秒。10秒后,你认为自己走了10米,但在旁边的观察者看来,你已经大大超过了10米,因为你走、直梯也在走,这是你跟步行直梯一起前行的结果!

同样道理,代表宇宙年龄的光子,尽管飞行时间是138亿年,却能够跨过465亿光年。都是因为宇宙膨胀造成的!懂了吧。

但问题来了,这不是大大超过了光速吗?传说中的超光速真实存在吗?宇宙年龄和大小到底是怎样测量出来的?宇宙膨胀又是怎么测量的?

有耐心想知道「知其所以然」的,请看——

先来说说宇宙年龄。

事实上,测定宇宙年龄,并不是像有人想当然的那样,跟发现霸王龙化石一样,科学家找到了宇宙大爆炸的最初影像资料。

【雄文】为什么宇宙年龄138亿年,宇宙直径却有930亿光年?

按照大爆炸理论,这是不可能的。因为从宇宙大爆炸开始,大概30万年后,宇宙最早一批原子才开始诞生;大概35万年(也有称38万年的),光子才开始在宇宙中向四面八方传播,此时整个宇宙直径只有1亿光年。

这些最初的光子,一路飞越到现在,就是我们今天探测到的宇宙微波背景辐射,简称CMBR。可以说是宇宙大爆炸的余波,也可以说是「宇宙的第一束光」或者「婴儿宇宙快照」。

这样的话,只要测得CMBR越精确,确定的宇宙年龄也就越接近。

【雄文】为什么宇宙年龄138亿年,宇宙直径却有930亿光年?

从最早美国两位工程师通过射电望远镜——意外发现;

到1992年NASA发射宇宙背景探测者(COBE)——主动探测;

再到2003年NASA发射第二代宇宙微波背景探测器(WMAP)和2009年欧空局ESA发射普朗克卫星——深度探测;

再加上哈勃太空望远镜和一大波地面天文台的数据共享/互补对照……

经过半个世纪的不断努力,最新测定的宇宙年龄——137.98±0.37亿年,一般简化成138亿年。

再说说宇宙大小。

【雄文】为什么宇宙年龄138亿年,宇宙直径却有930亿光年?

通常说的930亿光年,是指可观测宇宙的直径。

什么又是可观测宇宙?简单来说,就是以观测者为中心所能观测到的宇宙范围。言外之意,可观测宇宙只是整个大宇宙的一部分。从宇宙大尺度来说,不同观测者的可观测宇宙范围也不同。

以我们为例,人类目前的可观测宇宙其实是个球体——一个以465亿光年为半径的巨巨巨型球体。球体外面是什么?可观测宇宙之外是什么?其实还是大宇宙的一部分,只不过是我们还没能力观测到。

目前已知的这个半径又是怎么来的?

其实,并不是我们观测到了距离地球465亿光年之外的星体。

【雄文】为什么宇宙年龄138亿年,宇宙直径却有930亿光年?

▲目前为止人类观测最远的星系——GN-z11,根据哈勃望远镜的测定,它的年龄高达134亿年,距离我们大约320亿光年。此处——又一个年龄与距离高度不符,到底咋回事?等下你就懂了。

测量可观测宇宙半径465亿光年,其实,我们还是根据测定CMBR——宇宙微波背景辐射——粒子的红移量,得到了共动距离,大约是465亿光年,这就是可观测宇宙半径。

等等,红移量、共动距离又是什么?

先说距离

宇宙学中经常使用的有三种距离:光行距离、固有距离、共动距离。

光行距离最为我们大众所理解,就是用光飞行的时间来衡量距离。光行距离有一个前提就是不考虑宇宙膨胀。为了使用方便,光行距离派生出「光行时间」——光行这段距离所需的时间,有时也被称为「回溯时间」。事实上,宇宙年龄138亿年,也可以说是光行时,或者说回溯时间是138亿年。

再比如,我们说牛郎织女星相距16光年,也就是指它们之间的距离需要光飞行16年,光行距离16光年,光行时/回溯时间16年。

但如果考虑宇宙膨胀,前面说过的观测到最远星系——距离我们320亿光年,事实上就没那么简单了。因为在光行320亿年的这段时间里,整个宇宙是在不停地膨胀。所以,要想测定星体的真实距离,还需要考虑宇宙在这么长的时间里到底膨胀了多少?

再简单说下,宇宙膨胀——这是从大爆炸开始就从未消停地「宇宙大动作」。最早被大名鼎鼎的哈勃发现,建立了宇宙膨胀理论,形成了哈勃定律、哈勃常数、退行速率、红移量等等。如今已成为宇宙学最热门的研究领域之一,因为它决定了很多重要命题。在这里,你只要能理解这个比喻就好——

【雄文】为什么宇宙年龄138亿年,宇宙直径却有930亿光年?

宇宙膨胀的道理,就像葡萄干面包一样,放进烤箱里烘烤时,面包会从小变大的膨胀,不管是面包表面还是里面的葡萄干,在这个膨胀过程里,都会相互远离。

现在,科学家对宇宙的观测结果正好与此吻合,所有星系都在远离我们!葡萄干都在相互远离!科学家把这种远离我们的宇宙膨胀速度,也叫退行速度,相对我们来说这些星系都在退行。又因为这个速度是根据光谱红移现象测量的,所以引入一个「红移」概念。这个我们后面再说。

我们有了宇宙膨胀的概念后,你就能理解「共动距离」了。共动距离的「共动」,到底是谁跟谁共动?

其实是测量宇宙距离的量天尺,跟宇宙膨胀一起共动——共同膨胀。这种想象出来的量天尺,测量出的距离就是共动距离,也有叫同移距离的。这就意味着,测出来的仍是膨胀前的数值,所以,共动距离是一个固定值。

可观测宇宙半径为465亿光年,就属于共动距离。

【雄文】为什么宇宙年龄138亿年,宇宙直径却有930亿光年?

为什么此处要采用共动距离呢?

其实,这正是科学的严谨说法。你想想,宇宙时时刻刻都在加速膨胀,而且膨胀速度很惊人,越来越多的星系在远离我们,最终变成不可观测。所以,对于这种动态的宇宙来说,最妥当的说法就是采用共动距离——这个固定值,描述可观测宇宙的尺度,和宇宙一起膨胀,不随时间变化,更适合描述这个加速膨胀的宇宙大小——半径465亿光年的巨型球体。

跟共动距离概念——正好相反的是「固有距离」,一种随宇宙膨胀而变化的距离,相当于使用一把固定不变的量天尺,去测量膨胀中的宇宙距离。也就是说,这是一个随时间变化而变化的数值,当然这是一个理想值。

尽管固有距离实际上无法测量,但在科学家眼里却是一种最接近真实距离的概念。于是,科学家找到一种替代方案,这就是红移量。

【雄文】为什么宇宙年龄138亿年,宇宙直径却有930亿光年?

所谓红移,就是光子辐射的波长,随着宇宙膨胀会被拉长,从光谱蓝色的短波移动到红色的长波,因而形成了红移现象。

红移是一个很直接的量,因为直接观测,就能得出数值。一束光的红移,就是遥远星光的观测波长—真实波长,再与真实波长的比值。

【雄文】为什么宇宙年龄138亿年,宇宙直径却有930亿光年?

请记住,红移量是我们谈论宇宙尺度、星体距离时,唯一能够明确的测量值,而其它比如光行距离、共动距离、回溯时间,都是派生出来的量。至于这些量之间是如何换算的,要涉及到一堆数学公式,还是就此略过。

对我们来说,最简单最有用的就是一张对照表——回溯时间、光行距离、共动距离、红移量、膨胀速度之间关系的对照表,足够用了。

【雄文】为什么宇宙年龄138亿年,宇宙直径却有930亿光年?

我们可以很清晰查到:当宇宙年龄是138亿年(回溯时间)时,所对应的共动距离是465亿光年,红移量是100。

再比如,最远星系GN-z11的回溯时间,即星系年龄134亿年,对应的共动距离就是320亿光年。而这些数值也都是通过测量——从这个星系发出光子的红移量换算出来的。

我们懂得了回溯时间、共动距离、红移量之间的关系,是不是一下子豁然开朗了不少?

【雄文】为什么宇宙年龄138亿年,宇宙直径却有930亿光年?

最关键的问题来了:宇宙回溯时间/光行时间是138亿年,共动距离却是465亿光年,这不是大大超过了光速吗?不是正好说明因宇宙膨胀造成的超光速现象吗?

可以肯定的是,我们还没有发现任何「超光速的光」。光的最高限速还是30万公里/秒,无法自我突破或者借助外力超越。

【雄文】为什么宇宙年龄138亿年,宇宙直径却有930亿光年?

至于说,宇宙第一束光——宇宙微波背景辐射,在138亿年里跨越了465亿光年,大大超过了137亿年的光行距离。读懂上面我所说的,其实就该弄懂了——绝不是宇宙第一束光超越了光速,而是宇宙加速膨胀使得第一束光看起来好像超光速,这不过是我们作为观测者,看到的一种观察效应。

细心的人从上面那张表也会发现,第二栏v/c退行速度与光速比值最大就是1,并不存在超光速的现象。

这就像我在前面列举「你在步行直梯上行走」的栗子,你的速度就是步行速度,但因为要加上步行直梯本身的运行速度,在观察者看来,你的步行速度和步行距离,的确已经超过了旁边没有搭乘直梯的人。但是,我们并不能就此得出结论:你的速度超越了人类步行的最高速度,你已经变成了超人!

【雄文】为什么宇宙年龄138亿年,宇宙直径却有930亿光年?

总之,我们大可不必担心/期望可观测宇宙存在超光速的光,作为本宇宙的最快信使——光信使已经是最高限了,这是由宇宙法则决定的。

延伸与升华

更多精彩,尽在:

新未来简史:区块链、人工智能、大数据陷阱与数字化生活》。该书以30多门前沿科技、学科展开深度推演,与《今日简史》《未来简史》《人类简史》至少分别有80项、100项与50项对立观点。其中,该书用了8万多字从50多个角度深刻分析人工智能AI,几乎摧毁了神话大数据、AI、算法等数十个观点。如图:

【雄文】为什么宇宙年龄138亿年,宇宙直径却有930亿光年?

该书颠覆过往绝大多数有关人类未来的预测与推断,最大限度地靠近事物的本原。以特有近乎刁钻的视觉、博杂的知识、激情的文风和严密的逻辑,联动前沿科技(如区块链、人工智能、大数据等黑科技)与社会、自然、经济、金融、人文、历史以及人性驱动下的人类竞争、价值创造等进行了深入的思考与推演,展现出"气势恢宏、磅礴瑰丽”的未来价值场景,极具吸引力。

特别推荐:

《区块链实用解码730问》(上下合集):32大专题、260多项细分主题、47万字、730问,实用、全面、系统,囊括区块链基础理论、运行机制、核心算法,以及从1.0到3.0等几乎所有、全链条式的知识操作、实践应用的图书如图:

人类的终极理想与终极社会,就是区块链的社会,所以人人都应了解区块链。

【雄文】为什么宇宙年龄138亿年,宇宙直径却有930亿光年?

相关链接:

0.1:「大讨论」未来,人类多数将沦为无用阶级,还是彻底摆脱无用阶级

0.2:「揭秘」人及万物本可没有衰老病死:海夫利克极限与神秘的56次

0.3:「深度」互联网将会被替代,人造两大新时空,诞生新人类

0.4:想了20年,开始炮轰哲学三大基石之一:量变质变大规律,冲击极限

1、「脑洞未来1」人工智能1:未来,如何让绝大多数人类摆脱无用阶级

2、「脑洞未来02」人工智能02:“强AI会统治替代人类”是个伪命题

3、「脑洞未来03」人工智能03:让人恐怖的名字,仅是个美丽的比喻

4、「脑洞未来04」人工智能04:什么都没做的传统人工智能AI

5、【脑洞未来05】人工智能篇05:阿尔法狗不是真正的“智能”上

6、「脑洞未来06」人工智能06:阿尔法狗不是真正的“智能”(下)

7、「脑洞未来07」人工智能07:AI造神之从“被文化”到超级精神帝国

8、「脑洞未来08」人工智能08:AI造神之从“超级文化”到恐怖崇拜

9、「脑洞未来09」深度学习01:AI监督学习到底比人差几十几百条街?

10、「脑洞未来10」深度学习02:AI非监督学习到底比人差几百几千倍?

11、「脑洞未来11」深度学习03:AI对抗网络颠覆了深度学习的范式