宇宙的年齡為138億歲,為什麼可觀測宇宙直徑達到930億光年?

宇宙起源于宇宙大爆炸,根據宇宙的演化史,科學家們計算出了宇宙的歷史大約為138億年。

根據愛因斯坦的狹義相對論,我們的宇宙存在光速限制,這就意味著,理論上被光速限制的宇宙直徑只能是138光年,不會超過這個數,因為物體的速度不會超過光速。

但科學家們的計算結果卻與這個數字相差甚遠,可觀測宇宙的直徑竟然達到了930億光年!為什麼會出現這樣的結果呢?

我們來一點點分析。

如果我們的宇宙是靜態的,就像我們眼睛感知到的那樣,由于光飛行的速度是光速,很容易得出這樣的結果:可觀測宇宙的直徑為138億年。當然這個數據可能稍有誤差,因為光在真空中的傳播速度是光速,而宇宙中充滿了物質,光的速度會受到影響,但不會相差太大。

但事實上,我們的宇宙并不是一成不變的,所有的物體都在不停地運動當中,光以光速飛行,同時物體也在運動中。根據相對速度來計算,兩個物體遠離彼此的速度可以接近光速的兩倍,如此一來的話,可觀測宇宙的直徑最多就可以達到宇宙年齡的兩倍,也就是276億光年。

不過,除了各種物質的運動,科學家們發現我們的宇宙也在不停地運動,不停地膨脹,而且膨脹速度越來越快,目前已經遠超過光速。

天文學家哈勃在上世紀20年代通過觀察遙遠星系的運動時發現了星系發出的光發生了紅移,這說明星系正在遠離我們,光的波長被拉長了所以會發生紅移現象。如果星系飛向地球,光出的光就會發生藍移。

不僅僅是光線,聲波也有類似的現象,被稱為「多普勒效應」。下次有機會坐火車時你可以留意一下,當火車鳴笛時,如果火車向你駛來,你會發現鳴笛聲會變得尖銳,如果火車遠離你,你會發現鳴笛聲變得低沉。

光線發生紅移,說明星系在遠離地球,科學家也首次發現了宇宙在膨脹。而且在之后深入探索之后,發現宇宙膨脹的速度越來越快。

根據哈勃定律,科學家們計算出了在宇宙加速膨脹的狀態下,可觀測宇宙的直徑大約為930億光年。

因為我們的宇宙在超光速膨脹,這意味著即便我們以光速飛行,也不可能達到可觀測宇宙的邊緣。

同時,可觀測宇宙的「范圍」會變得越來越小。理論上分析,在遙遠的將來,銀河系可能就是我們眼里的「可觀測宇宙」,因為銀河系之外的星系都在加速遠離,速度超過光速,距離銀河系越遠的星系遠離的速度越快。

不過實際上,宇宙的膨脹并不會讓所有星系都遠離銀河系,在局部地區,引力還是會占據上風的,比如說仙女座星系和銀河系非但沒有遠離彼此,反而在相互靠近,大約35億年后會相撞,融合為更大的星系。

但宇宙的加速膨脹是大趨勢,這一切的幕后黑手是暗能量,占據了整個宇宙的70%左右!它關乎著宇宙的未來。


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