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宇宙的年龄是138亿年,为什么可观测宇宙的直径却达到920亿光年?
宇宙,光速,星系宇宙的年龄是138亿年,为什么可观测宇宙的直径却达到920亿光年?
发布时间:2019-02-08加入收藏来源:互联网点击:
回答于 2019-09-11 08:43:50
这问题对于很多人最大的困惑,无非是138亿年,930亿光年,以及光速三者之间似乎存在无法理解的矛盾。
我们很多人都疑惑:宇宙的半径=宇宙年龄×光速,得出的直径272亿光年,这样求出的直径不对吗?
为什么宇宙直径不是272亿光年,而是920亿光年?
这样的矛盾,其实是我们对宇宙的膨胀根本没有实质性的理解。
下面,请身临其境地想象我给你的草地,你会理解宇宙怎么个膨胀法了。
272亿光年的宇宙怎么膨胀的?
272亿光年的直径,实际上只是一种宇宙边缘不断扩张的结果。
这如何理解?
这相当于你站在一个足球场的中心,你按特定的速度走向边缘。
把你离开中心开始走动的那一刻类比宇宙大爆炸,大爆炸的中心就是你足球场的中心。
从你到足球场边缘的过程中(宇宙膨胀),整个足球场的草地始终不动(比如一棵小草和另一个棵小草的距离始终保持不变),走到某一处边缘(宇宙的边缘),假如你测得你距离你离开的足球场中心距离为d=13.7米。
这样类比得出的宇宙,就是宇宙空间本身并不膨胀,只是它的边缘在扩张。
920亿光年的宇宙如何膨胀?
还是同样的足球场,你还是以同样的速度走向原来的边缘,如果足球场的草地仍然是静止的,那么当你走到上次的那个边缘,你距离足球场的中心仍然是同样的距离d=13.7米。
但是假设你第二次去走这个足球场的时候,球场中心有一个能用脚踩的按钮,这个按钮被你一开始踩在了脚下,只要你开始走动,按钮就会弹起(宇宙大爆炸)。
这个按钮能使整个草地扩张(宇宙膨胀),而不只是边缘扩张(原来的两棵小草间的距离变大了)。
假设这个草地的“动”,还是赶不上你的脚步,你最终走到了你第一次的那个边缘(宇宙的边缘),那里也多出了一个脚踩的按钮,你踩住了它,草地停止了“动”。
这时候,你测量一下你离足球场的中心,距离可就不只是d=13.7米了,很可能是另一个d=46.0米。
这个就可以类比整个宇宙都在膨胀。
结语
这样一个很贴近现实的例子,我觉得能解答你的疑惑了。
实际上,我说的那种草地的“动”,类比宇宙的动,就是宇宙空间本身的膨胀,这个膨胀在整个宇宙都在发生。
包括你的身体,你的左耳朵和你的右耳朵距离在变大,你左边的眼睛和右边的眼睛距离也在变大……只是这种效应在宇宙的小尺度上太微小了。
为什么我们会观察到星系在远离我们?事实上,星系并没有动,是空间膨胀,拉开了我们之间的距离而已。
这种宇宙的“动”,在天文学上有专门的一个一个名词描述,即共动,它对应的距离,就叫共动距离。
上面箭头的红方框地方,就是我们现在的宇宙。
回答于 2019-09-11 08:43:50
如果宇宙年龄138亿年,而宇宙的速度极限是光速,为什么可观测宇宙的直径是930亿光年?这个问题其实我们经常会想到的?有时脑袋还会卡壳!而且也有关于这个问题的很多回答,我觉得有些问题没有解释的很清楚!所以我今天就做一个更简单,更概念性的回答!而且我们需要理解一个很重要的概念。我们从星光的红移中,到底是观测到了空间在膨胀还是真的看到了星系在加速远离我们?就像你在大街上看到的汽车那样?
我们需要记住:星系本身没有远离我们,是我们之间的空间在扩张
在狭义相对论中,我们可以加速任何质量,使其运动得越来越快,无限的接近光速!
你越接近光速,长度就越短,时间就越长。那么在广义相对论中,一切物质相对于时空中的位置,就受到了光速的限制。
我们平时很容易能看到一些图片,上面画着静止的时空结构网络,这也很容易让我们产生误解,我们本来就感受不到空间在膨胀,更让我们觉得空间就是静止的!
所以我们需要改变下思维:如果大爆炸和广义相对论都是正确的,那么时空就不是静止的,而是在膨胀。
我们还有个误解就是,我们认为是星系在加速远离我们,离我们越远的星系,运动的速度就越快,但实际情况并不是这样的。
其实星系本身是静止的,但是星系之间的空间正在扩大。
换句话说,星系远离我们不像是爆炸后产生的加速度那样远离我们,而是空间再呈指数增长的速度在膨胀。凡是目前没有被引力或者其他力束缚再一起的物质,比如:我们的本星系群以外的星系都在远我们。
这个有个有趣的话:你长胖了,不能把责任推个宇宙膨胀吧!言外之意就是,我们人体,包括你周围的一切已经被电磁力或引力结合再了一起,所以我看看不到所谓的膨胀!
宇宙膨胀是爱因斯坦引力理论的一个解,也在1929年被哈勃通过望远镜观测得到了证实!下图就是一个简单形象的例子:
就像画在气球表面的星系其实并没有“移动”,因为气球的膨胀,反而离得越来越远!宇宙中的星系跟气球上的点,情况是一样的!
那么在广义相对论里,是什么决定了空间的膨胀率?
答案是:所有不同能量在宇宙发展的各个时期的总能量密度决定了宇宙的膨胀率。暗物质、正常物质、暗能量、光子、中微子等等,在每个时期都发挥着不同的作用。暗能量现在是宇宙中最重要的能量形式,暗物质和正常物质在过去的很长一段时间里掌控着宇宙,而辐射(光子+中微子)在宇宙刚开始的时候主宰着宇宙。
事实证明,可观测宇宙的大小与我们直觉相反,对宇宙大小产生疑惑的朋友,你的宇宙的规模(可见宇宙的大小)与光速乘以宇宙的年龄有关,就是138亿光年,但事实并不是这样。
在一个充满100%辐射能量掌控的宇宙中,可观测宇宙的大小是这个数字的两倍;如果是这样的话,我们可观测的宇宙的半径将达到274亿光年。
在一个充满100%物质的宇宙中,可观测宇宙的大小将是这个数字的三倍;在这种情况下,我们可观测的宇宙的半径是411亿光年。这个数字很接近实际大小,但不完全正确。
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