宇宙诞生至今138亿年，为何可观测宇宙直径有930亿光年？

Question

如题所述

Answer 1

众所周知，宇宙的年龄是138亿年，按照大爆炸宇宙理论，宇宙中最早的光诞生于138亿年前，宇宙膨胀至今直径顶多是276亿光年。那为什么科学家们说目前的可观测宇宙的直径为930亿光年？

因为宇宙一直都在以超光速膨胀

宇宙在超光速膨胀并没有违反任何物理规律。爱因斯坦的相对论中说真空中的光速是宇宙中物体运动速度的极限，那说的是有静止质量的物体的运动速度不能超过光速，却并没有规定空间的膨胀速度不能超过光速。我们的宇宙之所以这么大，就是因为空间在持续不断的以超光速膨胀。

20世纪20年代，美国天文学家埃德文哈勃发现河外星系正在远离我们。河外星系的视向退行速度与距离成正比，离我们越远的星系退行速度越快。据美国宇航局公布的最新测量结果，星系距离我们每增加326万光年，退行速度就增加74千米每秒。

上图为爱德文·哈勃

哈勃的这一发现使我们认识到宇宙正在膨胀。而且据此还可以推断，在很久很久以前，宇宙之间星系之间的距离更近，物质密度也更大，那么早期的宇宙可能诞生于一个原始火球，这为大爆炸理论提供了有力的证据。

星系之间之所以在相互远离，就是因为宇宙空间在膨胀，而不是由于星系的运动造成的。我们可以这样理解宇宙空间的膨胀，相信许多人都吹过气球吧，当气球膨胀时，气球上任意两个点之间都在相互远离，距离被拉升，而宇宙空间的膨胀就与它类似，因而宇宙并不存在于一个特殊的膨胀中心。把气球上的点换成星系，那么就很好理解星系之间为什么会相互远离了，并且距离越远的相互远离的速度越快。

如上图所示，宇宙像气球一样膨胀。

通过对遥远超新星的观测，科学家们发现宇宙不仅在膨胀，而且目前正在加速膨胀，发现了该项研究成果的三位天体物理学家也共同分享了2011年的诺贝尔物理学奖。究竟是什么原因是宇宙加速膨胀？科学家们认为这与占宇宙总质能68%的暗能量有关。

上图为宇宙的膨胀历程

天体距离我们那么远，科学家又是如何知道是空间在膨胀，而非星系在相互远离？

哈勃通过星系的光谱发现河外星系在远离我们。哈勃发现河外星系的光谱线会向红端移动，距离越远的星系红移量越大，这被称之为宇宙学红移。之所以会产生红移，就是因为空间的膨胀把光波拉长了。

产生这种红移现象的原因是空间膨胀而不是星系远离造成的。

有三种原因可以产生光谱红移现象，包括多普勒红移、宇宙学红移和引力红移。多普勒红移是由于观察者和光源的相互远离而产生的；宇宙学红移是由于空间的膨胀产生的；引力红移是受引力源作用而产生的，需要黑洞级别的引力源才能产生明显的红移现象。在较近的区域内，由于星系的视运动较明显，多普勒红移与宇宙学红移很难区分开来，只有在相当遥远的距离（上亿光年以上）上才能区别这两者所引起的谱线差异。

正是因为以上发现，才证明了宇宙空间在膨胀，而不是星系在远离。我们并不处于宇宙中心，在任何位置观测得出的结论都是星系之间在相互远离，而我们所看到的这种现象正是宇宙空间的膨胀造成的。

为什么星系内部察觉不到宇宙膨胀这种现象？

那是因为在几百万光年以内的小尺度范围内，引力的作用强度远大于迫使空间膨胀的力量，只有在大尺度范围内才能看见天体之间在相互远离。

正因为如此，星系内部才观察不到宇宙在膨胀，星系也正是在引力的作用下才维持稳定的。虽然宇宙在膨胀，但仙女座与银河系正在引力的作用下相互靠近，据科学家预测，在30多亿年之后，仙女座星系和银河系将会发生碰撞融合，形成一个更大的星系。

为什么可观测宇宙的直径有930亿光年？

最早的光从宇宙诞生之初就开始传播，光以光速在宇宙中传播了138亿年才到达了我们的眼中，正是因为空间的超光速膨胀，才使光仅用一百多亿年的时间就走完了几百亿光年的路程。按照大爆炸理论模型计算，在电磁波范围内可观测宇宙的直径有922亿光年。

根据大爆炸理论，在宇宙诞生之初的38万年时间里，宇宙间还是一片混沌，物质的密度很大，光也不能自由的传播。这意味着这段时间内的情况用光是观察不了的。即使这么短的时间，宇宙就已经膨胀了8亿光年，因为当时宇宙正处于暴涨时期。要想观察到这段时间内的情况就需要用到引力波。

如图所示，天体之间的引力作用在空间中激起涟漪，形成引力波，并向远方传去。

那么合计起来可观测宇宙的直径就是930亿光年了。算上不可观测的部分，宇宙的实际大小肯定还要大上很多。

如果未来宇宙继续加速膨胀，那么总有一天，星系之间将会变得非常遥远，以至于附近其它星系的光永远也不能被我们所观测到，宇宙将会变成一片黑暗和死寂。

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Answer 2

现在人类已经根据理论得到，我们有着以地球为中心，930亿光年的可观测直径。但是宇宙大爆炸理论又提出，宇宙诞生于138亿年前的一次大爆炸，如果说光速是宇宙速度的上限，为什么138亿年后，宇宙的大小不是138亿光年的半径范围？这中间是否存在矛盾？

首先我们要从宇宙的诞生开始说起。

早在1929年，著名的物理学家哈勃就观测到了一种神奇的现象：

这种现象表示：离我们越远的星系，他观测到的颜色就越偏向于红色，于是科学家就锁定了一些星系，发现这些星系呈现出的红色甚至越来越明显的，由此推断：这些星系正在远离地球。并把它命名为：红移现象。

所谓红移现象最初是针对机械波而言的，即一个相对于观察者运动着的物体如果离得越远，那么它发出的声音就越浑厚（波长比较长），相反离得越近那么发出的声音越尖细（波长比较短）。

之后哈勃通过进一步的观测，发现地球之外似乎所有的遥远的星系还有星系团都在远离地球（观测点），并且距离越远，远离的速度也越快。

最后埃尔德·哈勃得出一个重要的结论：

宇宙正在变大。

然后哈勃做出推理：既然现在的星系和星系团之间的距离是在一直增大，那么时间往前倒退：它们一开始一定距离非常近。

从这一结论出发，天文学家得出来一个观点：很久之前，宇宙可能处于一个密度极高，温度也极高的状态。

到了1931年，天文学家乔治·勒梅特首次提出了有关宇宙起源的大爆炸理论，他本人把这个理论命名为“原生原子的假说”。

这个理论大致意思是：

宇宙现在正在向外膨胀，假如从时间上进行反演那就说明着宇宙在向内坍塌，这个过程会一直进行到不能再继续为止。最终宇宙中所有的质量都会集中在一个点，这个点就叫做“原生原子”。

而到1948年，伽莫夫对具体的热大爆炸理论又有了更精确的描述：

他认为在大约150亿年前的时候，宇宙只是一个极其微小的点，然后由于某种原因这个点变成了一个温度极高的“火球”，后来这个“火球”发生了大爆炸，爆炸使得组成火球的物质散落到各处，高温物质冷却之后，密度开始降低，就这样质子、中子等基本物质才诞生。最后经过了不停的膨胀、演变，宇宙就这样形成了。

当然，如果仅仅靠宇宙膨胀的观点就推测出宇宙大爆炸的理论，很明显是没有说服力的，这就需要更多的证据来支持这个理论。

关于宇宙大爆炸更有力的证据

微波背景辐射起源于热宇宙的早期，其是温度近于2.7K的黑体辐射，也被称为3K背景辐射。

1964年，阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊在使用一台微波接收器时，无意中探测到了宇宙微波背景辐射。

背景辐射的黑体谱现象表明了微波背景辐射是在极大时空范围内发生的的事件，而背景辐射的各向同性又说明在不同的方向上，两个相距非常遥远的天区之间，存在过相互之间的联系，通俗来说就是：

大概大爆炸之后38万年，宇宙中出现了第一束光，随着宇宙的膨胀，这束光的能量逐渐降低，直到最后降到了微波频段。

人们观测到的微波背景辐射图描述的就是宇宙早期的状态。这些辐射对应的温度刚好是2.7K，这就是宇宙微波背景辐射的由来。

宇宙微波背景辐射为宇宙大爆炸理论提供了强有力的支持。之后，科学家才开始相信宇宙大爆炸理论。

那么138亿年这个精确的数又是如何得到的？

尽管对于宇宙的年龄一直都有争议，因为提出一个理论，总要需要经过无数次的实验修改才能被广泛的接受。

宇宙至今存在了138亿年，其实这个数据的诞生还是要功归于哈勃的努力。

哈勃最开始提出的“哈勃红移”其实就是用来计算宇宙的年龄，他发现当恒星或星系远离地球时，从地球上接收到的恒星光谱会向红色的一端移动，反之则会向蓝色的一端移动，还得出了红移会随着距离的增大而增大，最后总结出了著名的哈勃定律。

计算出哈勃常数，也就得到了宇宙的年龄。

科学家经过长期对哈勃常数的测算加上微波背景辐射的共同测算，得出宇宙的年龄为大约为138.2亿岁。

那么问题来了，为何可观测宇宙的直径却有930亿年，远大于138亿光年。

值得注意的是，可观测宇宙不是已经看到的宇宙，我们现在其实还没有观测到来自456亿光年外的光。这个930亿光年的直径只是根据理论，我们可以看到的宇宙的范围。

因为930亿光年外的光，由于宇宙的加速膨胀，导致我们再也无法接收到这些光线，所以就成了不可观测宇宙。真实的宇宙大小，要远远大于930亿光年的范围。

而宇宙年龄为138亿岁，根据哈勃常数计算发现宇宙膨胀速度会导致星系之间的退行速度超光速。通俗来讲就是：

因为宇宙超光速膨胀，可观测宇宙的直径达到了930亿年的范围，而真实的宇宙大小，要远远大于930亿光年的范围。

相对论指出指任何携带信息能量的东西都无法超越光速，而宇宙膨胀是空间的膨胀，这个过程中不携带任何能量和信息。

所以说宇宙的超光速膨胀并不违反爱因斯坦的相对论，这是因为宇宙膨胀是时空本身的膨胀，并不是物质在膨胀。爱因斯坦的相对论也是是有条件限制的，并有没指出宇宙中不存在超越光速的现象。

结语

宇宙的年龄可以通过哈勃定律并再加上宇宙微波背景辐射就可以计算出是138亿年。930亿光年只是可观测宇宙的大小，真实的宇宙还要更大。宇宙的大小远和宇宙的年龄138亿光年并不矛盾，因为宇宙在超光速膨胀。

Answer 3

根据普朗克卫星对于宇宙微波背景辐射的最新研究来看，宇宙的年龄是13.799 ± 0.021 x 10^9年，也就是137.99± 0.21亿年；至于可观测宇宙的直径是930亿年。这里稍微解释一下可观测宇宙，意思是人类理论上可以看到的宇宙的大小，它其实只是宇宙的一部分。之所以看不到无限远，在于我们是通过电磁波、引力波、中微子等来观测的，它们有速度上限那就是光速，而光走过的距离等于光速*时间。宇宙年龄就那么大，因此，我们也只能看到一定的范围。

按照狭义相对论的基本假设：光速不变原理。我们通过简单的推导就可以知道：物质、信息、能量的运动速度是不可能超过光速的。

那问题就来了，为什么可观测宇宙的半径138亿光年，直径276亿光年，而是直径930亿光年呢？

如果，我们要归纳总结一下这个问题，大概可以归纳成两个因素：

宇宙空间的膨胀引力波、中微子的观测

宇宙空间的膨胀

我们都知道，目前对于宇宙起源的主流理论是大爆炸理论。

大爆炸之后，宇宙的空间迅速的膨胀起来，这种膨胀效应一直持续到如今，尤其是在距今45亿年前，膨胀非但没有减速，反倒开始加速膨胀了。

这里，我们要深刻理解的是“空间的膨胀”。什么是“空间的膨胀”呢？

它实际上并不指物质、信息、能量的运动速度，而纯粹是空间在动。具体该如何理解呢？

我们可以来举个简单的例子，假设你有一个气球，这个气球上有一个个小点，我们可以把这些小点看成是宇宙中的星系，而气球表面就是宇宙空间。这时候你逐渐去吹气球，你就会发现，随着气球的膨胀，小点之间的距离也在增大，也就是说，宇宙空间在膨胀，这其实并不是星系在移动，同时星系之间的距离在变大。

为了方便理解，我们可以再现象一个场景，假设你站在一个地方，周围以你为圆心建了一个个机场的直行梯，这个梯子的移动方向沿着直径远离你的，电梯上有一个个的人。这时候，我们可以把你现象成“银河系”，把在电梯上的其他人想象成“其他星系”，这时候电梯启动，你会发现，即使其他人不动，他们也在远离你，这电梯的移动就类似于宇宙空间的膨胀。

知道了这些，我们就很容易下这么一个结论，那就是宇宙的膨胀是各个部位的空间都在变大，因此，所有的星系看到其他星系都在远离自己。

所以，由于宇宙膨胀效应的存在，我们能看到的尺度其实是会拓宽的。为什么这么说呢？

要知道，我们观测是利用电磁波的传递的，可能宇宙大爆炸初期离我们很近的星系发出的光，由于宇宙膨胀的问题，导致它要比原本到达的时间更晚一些到。

所以，我们可观测范围其实要带上宇宙膨胀效应，通过理论模型一计算，就会发现我们能够观测到的理论值是直径922亿光年。

可能你要问了，不是说好的930亿光年么？那8光年哪里去了？其实这都怪：光的穿透力不行。

引力波、中微子的观测

上文我们也说到，所谓的观测其实是利用电磁波（光）观测。但问题来了，宇宙大爆炸初期，整个宇宙就是一锅粒子汤，光子也混在其中，跌跌撞撞，一直没办法穿透出来。一直到了宇宙大爆炸之后38万年，光子才从当中穿越出来，在宇宙中开始传播。

也就是说，刚才说到的观测范围其实是从宇宙大爆炸之后38万年开始的，一直到现在。但是如果加上那38万年，其实我们理论上能够观测到的范围就会更大一些。但是电磁波是指望不上了，还能靠啥呢？

也就是不会被这锅粒子汤束缚住的东西，目前我们已知的有引力波和中微子，可能还会有暗物质。

所以，对于原初引力波和原初中微子的观测，可以进一步扩大我们的观测尺度，当然，引力波的传播速度是光速，而中微子则是低于光速的，它们也同样需要考虑宇宙空间的膨胀效应，计算下来，这38万年足够引力波传递4亿光年的，换算到直径上，也就是8亿光年，加上之前的922亿光年，我们就可以得到可观测宇宙是930亿光年了。

最后，我们来总结一下，可观测宇宙的直径是930亿光年，这主要是因为宇宙空间膨胀效应的存在，使得通过电磁波我们理论上可观测到的范围可以达到922光年，但是电磁波是从宇宙大爆炸之后38万年才开始传播的，而我们通过引力波还能够看得更远，能够额外多提供8光年的尺度，所以加起来是930亿光年。

Answer 4

因为宇宙大爆炸之后，仍然在不断的膨胀扩大，所以它的直接很大。

Answer 5

因为宇宙是一直在迅速膨胀的，而且膨胀的速度非常快，并且科学家们还得出了可能在人类诞生之前它就一直存在着。