为什么宇宙的年龄是130亿年,而我们却能看到470亿光年远的东西?

作者: J.C.

来源: 超级数学建模

发布日期: 2017-09-09 10:34:27

文章解释了为什么宇宙的年龄是130亿年,而我们却能看到470亿光年远的东西,主要通过宇宙膨胀的理论来解释,即使光速不可超越,由于宇宙空间的膨胀,我们仍能看到比宇宙年龄更远的地方发出的光。

宇宙的年龄约为130亿年,可观宇宙半径约为470亿光年。资料在维基百科等很多地方都可以查到。我只是不理解如果光速不可超越的话,怎么会在130亿年时间里产生了470亿光年的距离,并且是人类可观测到的,也就是说还有更远的东西我们目前还无法观测得到呢。

答案其实就在题主自己的题注里的这句话:“我只是不理解如果光速不可超越的话”。英文是“Nothing is faster than light”。这里的“Nothing”对应的是“Empty Space”。相对论中的Nothing can't move through space faster than light,但是你不能阻止space自己膨胀。

问题要求的是一个通俗的解释。那么这么来看,这是一条非常非常长的路,即便是在没有雾霾的时候,你也根本无法看到底。在路的两边,每隔1米站着一个人。接下来,想象一下路(注意,是路)膨胀了,然后你会看到两边的人都在迅速的远离你,然而并不因为他们自己移动了,而是他们脚下的路伸长了。

让我们假设你是0号人,你的左边是-1号,-2号·····,你的右边是1号,2号·····。试着问自己:如果1号人远离0号人也就是你,那么是否意味着1号人离2号人越来越近了呢?不是的,1号人和2号人之间的空间也经历了同样的膨胀!而这就说明,现在的1号人离你2米(之前离你1米),2号人离你4米(之前离你2米)。同样的也适用于-1号人和-2号人等等。最远的7号人离你有14米之多(之前离你7米)。

对于1号人:2-1=1米,2号人:4-2=2米,7号人:14-7=7米。也就是说,离你越远的人,他们跟你距离的增益越大。为方便理解,可以简单记为空间膨胀的速率越大。

现在你正在这样的奇怪的路上开着车,你明确的知道自己的目的地在哪,可是随着旅程的进行,你突然发现,卧槽,怎么开不完了,路越来越多。而且更为可怕的是,之前还在你前面的车子,突然无法看见了,无论你以多大的速度去追赶,你都看不到了,因为你车下的路在不断膨胀。因为宇宙的空间无处不在的膨胀。

在138亿年前,发射出光线的物质早已远离我们而去(注意我们上面车子的类比),实在是远的不能再远了(远大于460亿光年)。

但是,由于我们之间的空间也在不断膨胀(注意上面0号小人的类比),当我们之间的空间膨胀到可以看到138亿年前物体发射出的光时,这时以我们为中心到以我们能看到的最远的物质的距离为半径,做一个球体,叫做particle horizon(粒子视界),或者叫做可视化宇宙,可观测宇宙,而这个半径就是460亿光年,直径是930亿光年。

可观测宇宙是一个以观测者作为中心的球体空间,小得足以让观测者观测到该范围内的物体,也就是说物体发出的光有足够时间到达观测者。截至2013年对宇宙年龄最精确的估计是137.98±0.37亿年,但由于宇宙的膨胀,可观测宇宙的半径并不是固定的138亿光年。人类所观测的古老天体当前的距离比起其原先的位置要遥远得多(以固有距离来衡量,固有距离在现在的时点和同移距离是相等的)。

现在推测可观测宇宙半径约为460亿光年,直径约为930亿光年。根据宇宙学原理,从任何方向到可观测宇宙边缘的距离大致是相等的。

根据哈勃定律,我们得以明白宇宙的空间是不断膨胀的。2013年3月21日,从普朗克卫星观测获得的数据,哈伯常数为67.80 ± 0.77千米每秒每百万秒差距(67.80 ± 0.77 km/s/Mpc)。

我们知道3.26 light-years(ly,光年)=1 parsec (pc,秒差)=3.085×10^(16) m,那么1Mpc(百万秒差)=3.26×10^(6) ly,也就是326万光年。所以距离观测者326万光年的星系正在以6.78×10^(4) m/s的速度远离。

那么距离观察者138亿光年的星系,远离速率有多大?已经比较接近光速。那么距离观察者200亿光年的星系的远离速率已经超过光速了。那么距离观察者460亿光年的星系呢?妥妥的超了光速。一个光子被物体发射出后,在一个膨胀的宇宙中,它和发射它的物体之间的远离速度可以表示为上式中c是光速,H是Hubble Parameter(哈勃参数),x(t)是光子和发射它物体之间的距离。

稍微走一个变换,初始条件是x(0)=0,所以有前面算过了1Mpc(百万秒差)=3.26×10^(6) ly=3.085×10^(19) km,把哈勃参数的单位换成[1/s]。那么好了,我们知道了哈勃参数的数值,知道宇宙的粗略年龄138亿年,把已知条件代入x(t)的表达式中,可以得到也就是231亿光年。但是这个数值比上面说到的可视化宇宙的半径460亿光年小得太多了,肯定不对,哪里错了呢?

因为宇宙早期的膨胀速率要大得多,所以用可观测宇宙的半径x(13.8Gy)=46Gly反推回去,根据估算出H,这就说明有效哈勃参数(假设空间膨胀的速率跟大爆炸时候的一样)的数值是之前算出来的两倍还多。

把这个哈勃参数代回到x(t)的表达式中,再把这两个式子(前一个有空间膨胀,后一个没有)单位归一化后作图,再清楚不过了。根据哈勃表达式,当时间为138亿年时,对应的可视化半径为460亿光年,修正成功。当然了,真正的计算要比我这个复杂的多。本文由超级数学建模编辑整理,本文资料来源于土豆泥(知乎),编辑:J.C.

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