宇宙年龄只有140多亿年,宽度却有920亿光年,这是不是一个悖论?

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啊呀,这个题目提醒我了一下,我家的小狗快1岁了,居然有40厘米长了,这不是明显是个悖论吗……言归正传,这个题目的内容里有几个含义:首先,“光年”是个距离概念,而“年”是个时间概念,也就是说,宇宙被“推定”的直径大小是900多亿光年并且宇宙从诞生到现在的大体时间年龄的140多亿年,并且我们能获得的被官方公布出来的相关数字一直在变化,也就是说,宇宙中有些部位的天体,即便它有无限的亮度,在假定的宇宙年

啊呀,这个题目提醒我了一下,我家的小狗快1岁了,居然有40厘米长了,这不是明显是个悖论吗……

言归正传,这个题目的内容里有几个含义:首先,“光年”是个距离概念,而“年”是个时间概念,也就是说,宇宙被“推定”的直径大小是900多亿光年并且宇宙从诞生到现在的大体时间年龄的140多亿年,并且我们能获得的被官方公布出来的相关数字一直在变化,也就是说,宇宙中有些部位的天体,即便它有无限的亮度,在假定的宇宙年龄里,我们也没有机会直接观察到(用我们普通人熟悉的“可见光”观测到);第二,这是基于一种当代主流宏观物理理论的假设以及结合我们所具有的很有限的观测手段所观测到的现象而推导出来的两个数字(相对我们普通人头脑中“被教育出来”的时间和距离概念,这两个数字都更具备象征意义,而不具备准确的实际意义),当然,科学家们一直在努力印证相关内容是正确的,也就是说,题目中的两个数字都是“科学推定”,不是实质上的测定结果;第三,基于流行的、主流的“宇宙爆炸”理论,可以看出来宇宙的膨胀速度是个“加速过程”,并且“平均速度”大于光速,而关于“光速是宇宙中所有移动现象的速度极限并且光速恒定”的假设以及“光在宇宙中的相对速度及其传播路径的特性”,也有很多宏观的假说(理论)有待考证……

所以,题目中的“悖论”的出现,完全是由于在宇宙面前,我们还有无限的“想象空间”去创造或者说发现其宏观理论和其物理本质,同时,我们人类现阶段掌握的相关科学理论能力还非常稚嫩……

目前本人认知能力范围内,只能解释到这个程度了。

光速是个极限,任何速度超不过。按照宇宙大爆炸学说,宇宙是一个奇点爆炸产生,宇宙物质的扩散速度应该不超过光速。所以,如果宇宙年龄140亿年,那么按光速扩散的宇宙边界不应超过140亿光年。

“宇宙的年龄只有140多亿年,直径却有920亿光年,这不是一个明显的悖论吗?”

在你的这个问题中,“宇宙年龄只有140多亿年”和“宇宙直径有920亿光年”这两个表述都不正确。实际上,宇宙的年龄是不到140亿年的,目前无论天文学理论还是多个项目的综合观测结果均显示宇宙的年龄在137亿-138亿年之间,这个“年龄”指的是以奇点爆炸开始至今所经历的时间。

至于“宇宙直径有920亿光年”,姑且不说正确的数据应该是约为930亿光年,就“宇宙直径”这个描述就是错的,这一点我们后文详谈。

关于宇宙的实际年龄

NASA的威尔金森微波各向异性探测器的观测结果表明奇点大爆炸发生在距今137.3 ± 1.2亿年前,这意味着宇宙的年龄在136.1亿-138.5亿年之间。

2013年,欧空局(ESA)的普朗克寻天者卫星的观测结果将这个范围缩小到了137.98±0.37亿年前,2015年,该数据再次更新,被精确到了137.87±0.02亿年前。

普朗克巡天者 | 模型

也就是说,目前天文学家公布的最精确的宇宙年龄为137.85亿-137.89亿年之间。

当然,我们暴力地四舍五入一下,将宇宙年龄描述为140亿年似乎也没太大问题,但绝对不能描述为“140多亿年”,因为这样就把小于140亿年变成大于140亿年了。这就如同你可以把一个29岁零11个月的人说成30岁,但不能说成30多岁一样。

关于宇宙的直径

我们经常看见有人说宇宙的直径约为930亿光年,但事实上930亿光年指的是可观测宇宙(Observable universe)的直径,这与宇宙的直径是有本质区别的,不能混为一谈。

“可观测宇宙”指的是一个以观测者作为中心向外扩展而成的球状空间,若以人类为观测者,则可观测宇宙是以地球为中心向外扩展而成的一个球状空间,该空间边缘的任意一点与地球之间的距离都为465亿光年。

还有一种描述方式是,从地球的任意方向到可观测宇宙的边缘距离均为大约465亿光年——单从这一点来说,就已经不能把930亿光年视为宇宙的直径了,否则地球岂不就是宇宙的中心了?

对于这个问题,最好的理解方式是当你位于海洋中时,最多只能看见一片以你为中心的圆形范围内的物体,超过这个范围的物体会因为处于海平面以下而无法被你看见,于是你就可以把这个范围称之为“可观测海洋”,它虽然有一个具体的直径,但这个直径并不是海洋的尺寸。

可观测海洋存在的原因是由于地球是球形,而可观测宇宙存在的原因,是由于只有位于这个球体空间以内的物体发出的微波辐射有足够的时间到达地球,从而使我们理论上能探测到它们。

上图便是可观测宇宙的模拟全图,由于相对它的尺度而言,地球乃至银河系都过于渺小,因而一般将室女座超星系团定义为中心。

930亿光年的数据从何而来?

众所周知,光不是瞬时传播而是具有速度的,它每年只能前进一光年,因此许多人都自然而然地想到了,当我们观察一个距离地球50亿光年的天体时,看见的其实是它50亿年前的模样,这是由于它发出的光需要50亿年才能到达地球。

但不少人都忽略了另一个更重要的问题——当我们发现某个新的天体,并测量出它与地球的距离为50亿光年时,这个距离同样是它50亿年前与地球的距离,由于宇宙在膨胀,它现在与地球的距离已远远大于50亿光年了。

那么问题来了,我们究竟看见了一个多远的玩意儿?

你可能习惯性地认为我们看见的是距离50亿光年的天体,但是在天文学领域,这就意味着我们探测到了一个实际距离远远大于50亿光年的天体。

事实上,由于光速和宇宙年龄的限制,目前在地球上最远也就只能探测到距离我们大约138亿光年的天体,然而通过红移及宇宙学公式来进行计算,便能得出它目前与地球的实际距离应当为465亿光年。

这便是可观测宇宙的直径为930亿光年的由来,同时也不难想到这个范围是动态的,在未来会随着时间的推移而不断扩大。至于超过这个范围的天体,由于宇宙极其遥远的部分相对于地球的膨胀速度大于光速,从而永远无法到达地球,也就永远无法被我们观测到了。

然而,新的问题又出现了:宇宙的年龄只有138亿年,可观测宇宙的半径却达到了465亿光年,看起来宇宙的膨胀速度似乎违反了《狭义相对论》提出的光速最快原理,这又是怎么回事呢?

宇宙为什么能“超光速”膨胀?

事实上,那些遥远的星系相对于地球的退行速度大于光速,是不违反光速最快原理的。因为这些天体尽管看起来是在超光速远离地球,但它们的实际运动速度是远远低于光速的。

这是由于空间在“均匀膨胀”,于是便随着距离的增加而产生了一种叠加效应,致使空间中的任何一个坐标点的实际运动速度虽然全都低于光速,但距离非常远的两个坐标点之间的相对远离速度却远远大于光速。

这种相对叠加效应在任何均匀膨胀的物体上都存在。例如你可以想象一把300毫米的尺子用了1秒钟的时间膨胀了一倍,刻度仍然是300毫米,但实际长度变成了600毫米。这意味着尺子上的所有刻度之间的间隔都增加了1倍,原本每条刻度之间的距离是1毫米,现在每条刻度之间的距离是2毫米了。

也就是说,在尺子膨胀的过程中,每一条刻度两侧的临近刻度,都花1秒钟向远处退行了1毫米,这说明所有刻度的移动速度全都是1毫米/秒。倘若有一个规定是尺子上所有刻度的移动速度都不能大于10毫米/秒,那么这些刻度显然都没有违反这个规定。

但是,尺子的长度毕竟从300毫米变成了600毫米啊,这意味着尺子最左侧的刻度相对于最右侧的刻度而言整整移动了300毫米的距离,它们相对于彼此的退行速度已经达到了300毫米/秒。

换言之,即使尺子的每一条刻度都遵守了速度不能大于10毫米/秒的规定,但整条尺子的长度依然在2秒内增加了300毫米,最外侧的两条刻度之间的相对速度依然达到了300毫米/秒,这就是均匀膨胀的空间体现出来的相对叠加效应。

宇宙就是在这种效应的影响下“超光速”膨胀的,实际上也正是由于观测数据表明不同距离的星系相对于地球体现出了这种效应,我们才有了合理的依据判定宇宙在均匀膨胀。

由此可见,光速最快原理与宇宙超光速膨胀这两者之间并不存在任何悖论。

这并不是悖论,而是宇宙膨胀的结果。

首先按照大爆炸宇宙模型,我们宇宙的年龄大约为138亿年,并不是题目所说的140多亿(这个数据是很久前的了,已经过时),其次所谓的920亿光年的宽度,指的是可观测宇宙的直径,这是一个球状宇宙,以地球为中心,毕竟从名称也可以看出,是以观测为前提的。

我们知道宇宙膨胀已经成为了一个可观测的事实,正是如此,才导致了宇宙年龄138亿岁,而可观测的半径达到了460亿光年(即920亿光年直径)。

在宇宙诞生初期,大约38万年左右,第一批能够自由传播的光子出来了,也就是咱们现在所说的宇宙背景辐射,按照道理说,因为宇宙年龄不过138亿岁,因此这些光子走过的距离也应当是对应的光年,但因为宇宙膨胀的关系,当初的光源也在跟着空间移动。

可以想象这幅画面,光子在往前跑,而光源却因为宇宙膨胀在往后退,于是当138亿年过去了,光子被地球人接收,而当初的光源现在却距离地球约460亿光年。

那么可观测宇宙之外又是什么呢?很简单,还是宇宙,不过我们并不能观测到。但按照宇宙学原理来说,可观测宇宙实际上有无数个,宇宙空间任意一点都可以作为可观测宇宙的中心,并且看到的宇宙在大尺度上是相同的。

综上所述,宇宙年龄138亿岁,而可观测宇宙的直径却有920亿光年,并非悖论,而正是由于宇宙膨胀导致的。

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按相对论来说,宇宙宽度不应超过280亿光年,除非原来“宇宙”直径就已经是640光年了,这不矛盾重重了吗

结合相对论和目前推测的科学宇宙年龄,有一个解释法。那就是,光在宇宙中并不以直线传播。第一,光源本身在宇宙中不停运动,第二,光线在宇宙传播过程中极大可能发生非光源性的折射和反射(不仅仅发生在地球大气层内),第三,根据相对论,当光线(或光子传播路径)经过超大质量天体附近时,在其强大的引力作用下,会发生弯曲。目前测得的宇宙中最远光源传播距离,为960亿光年,而这并不能直接表示成宇宙的最长直径。因为这个传播距离不能简单的理解为二维平面上点与点的直线连接。

举个例子,在一个正在充气膨胀的气球表面上,取两个点,并使得该两点在气球表面的间距最大。然而,这个气球理论也不准确,仅仅是好理解一点,因为按相对论,宇宙中光线的传播路径是相当复杂的。这里还可以举另一个极端的例子来帮助理解,假设太阳在宇宙中的位置和地球公转轨道都是绝对静止的,地球绕太阳一圈是9.4亿公里,地球年龄46亿年,那么,地球从开始运动到现在走了430亿亿公里,相当于454万光年,但地球每年都会回到轨道原点,在某个时刻,相当于一公里都没移动。把这里地球走过的路径想象成一个光源传播路径就容易理解了。也就是说,宇宙事实跨度并没有960亿光年那么大。

至于为什么会有一个光源在宇宙诞生前那么多年就开始传播了,这个问题就无法用现代科学已知的理论来解释了。但我们可以大胆猜想,比如大爆炸以前形成宇宙物质前的能量奇点,有可能本身就是一个发光源。或者干脆大胆的质疑目前的科学理论和观测结果数据是不是有技术性错误。

总之,相对论一定不是自然科学的终点,甚至都不一定是正确的,至少它无法解释引力机制和暗能量暗物质现象,大爆炸理论也是如此。人类对宇宙自然科学的研究还处于相当初级的阶段(也就是还处于人类自我感知和人造机械感知范围内的研究理解阶段),任重而道远!

首先,光速是宇宙中最快的速度这句话是正确的,至少是当代科学界的共识,有人总说你怎么知道没有比光更快的速度,这是抬杠,每一项科学结论只要在理论上成立,实验上证实,就可以作为科学研究的依据,并成为大家探讨问题的基础和前提,否则,只会陷入桃谷六仙般的夹缠不清当中。

其次,光速是最快的速度不假,但不是最快的现象,这两个概念一定要搞清楚。举个很简单的例子,阳光照射到冥王星需要4-6个小时(按轨道位置不同),但我的念头只要一闪就到了。这就需要区分,这个算不算速度,答案是不算,因为你不能传递任何信息。能否传递信息,是区别速度和现象的重要依据。

最后,光速最快不假,宇宙的宽度大于140亿光年也不假,因为一种是速度,一种是现象。哈勃太空望远镜观测到,宇宙正处于膨胀状态,且距离我们越远的星系,其退行的速度越大,而只要距离我们超过4300万秒差距的星系,离开我们的速度就已经超过了光速,我们看到的他们,也只是亿万年前的影像,他们注定要消失在我们的视野,宇宙也终将陷入一个个宇宙孤岛的局面,所以,《三体》中才有“光锥之内即命运”的说法。

所以,如果对这个说法还无法理解的朋友,可以去买一本汪洁老师的《时间的形状——相对论史话》耐心仔细看看,毕竟这种比较深奥涉及知识较多的问题,不是靠今日头条这种茶馆聊天式的媒体能够搞清楚的。

最后,奉劝年轻的朋友,玩手机刷头条有暇,也要多看看书哟。

我不是学习物理的,但也喜欢考虑这个问题。我一直有一个猜想(也许早有理论,也许是空想),就是宇宙爆炸是物质是低能量态到高能量态的过程,爆炸中心是提供能量的源泉。也许不可视宇宙比可视宇宙大得多,大爆炸的能量使物质跃迁到可视状态,有了今天的可感知的宇宙。就像透明的空气,我们感知不到,但有了白雾,就感知到了。光速是可感知宇宙最快的,但在不可感知宇宙中,低能量态物依然受宇宙爆炸(或宇宙爆炸前就己进行)影响进行能量传递(挤压),到达一定能量值,也会有可感知高能量物质产生,形成物质(星系)。好比水面上,投一个石子,水波动了附近的树叶(大爆炸直接产生的星系),也会传波动了远方的树叶(通过低能量物质传递累加产生的星系)。所以,除了膨胀的原因,或许存在低能量物质经过能量累加跃迁的情况,由于能量(大爆炸和压力)中心相同,呈现相同的运动状态,所以,宇宙的产生,不一定都是从爆炸点光速传递的,也有能量传递后,在旦某些点跃迁产生的。个人愚见,见笑。

你明显有一个误区,认为光速是宇宙间最快的速度…这一句话是不是就让你明白了…其中超过光速 的一个就是宇宙膨胀的速度…






宇宙年龄只有140多亿年,宽度却有920亿光年,这不是一个明显的悖论吗?还真不是。

地球来源于138亿年前奇点的大爆炸,在极短的时间内向外喷发出无比巨大质量的物质和能量,逐渐形成了宇宙空间和组成宇宙的各种星体。上世纪20年代,美国天文学家哈勃通过长期天文观测,发现距离地球越远的星系,它们发出电磁辐射形成的可见光谱线,向红端移动的幅度就会越大,由此提出了星系距离与红移成正比的哈勃定律,证实了宇宙在逐渐膨胀的事实,目前宇宙膨胀理论已经成为天文界的主流观点。

至于宇宙膨胀的驱动力到底为何,多年来科学家们始终找不到合理解释。后来越来越意识到,肯定有我们观测不到的物质和能量,在推动宇宙星系做出现有物理理论解释不了的运动特征,宇宙膨胀就是其一。其中,暗物质只提供引力作用,推动星体及星际物质逐渐靠拢聚集。而暗能量提供“排斥力”,推动宇宙整体向外膨胀。

借助于ΛCDM冷暗物质模型,和普朗克卫星测得的一些天文参数,人们对通过哈勃常数计算出的宇宙年龄进行了修正,最终结果为137.7—138.1亿年之间,这就是宇宙自诞生之日到现在的年龄。

科学家们在计算哈勃常数时,是通过计算百万秒差距(即326万光年)处,星系远离我们的速度约为每秒67.8公里,把这个常量定义为哈勃常数。再通过计算,在可观测宇宙范围的半径465亿光年处,宇宙目标星系远离我们的速度达到了光速的3倍多。

宇宙的膨胀其实是空间的膨胀,从地球或者其它固定的地方作为观测点,远处的膨胀就会带有累积性。几千万年前可以到达地球的光,由于宇宙的膨胀,光达到地球的路程就会不断加大,从而使所需要的时间变长。目前可观测宇宙的边界为以地球为圆心半径465亿光年,根据科学家测算结果,其实那个地方最早发出的光,是距离地球4200万光年处发出的,本来光4200万年可以走完的路,最终需要465亿年。

不知道小伙伴们明白了吗?宇宙的年龄和可观测宇宙范围有一定联系,但从数值代表的含义看也有区别,根源就在于宇宙的膨胀。至于可观测宇宙之外是什么,还是宇宙,因为边缘宇宙扩张速度已经远远大于光速,理论上我们或许永远不能知道它的样子了。

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