宇宙只有138亿年历史，直径为什么达到了930亿光年？

发布者：大夏真兴 2023-9-13 01:30

按照现代主流科学诠释，我们的宇宙起源于138亿年前的一次大爆炸，大爆炸初期，宇宙中没有任何物质，只有高能量。之后宇宙逐渐冷却，开始形成最基本的粒子，基本粒子聚集形成各种物质，最终成长了如今我们看到的丰富多彩的世界。

宇宙拥有138亿年的历史，理论上讲，我们能看到的范围也应该在138亿光年，因为宇宙中存在光速限制，用宇宙的历史乘以光速，答案就是138亿光年。

真的是这样吗？其实不然，我们能看到的宇宙范围远不止138亿光年，正确的答案应该是930光年，这也是可观测宇宙的直径。

为什么会这样？我们一起来分析一下。

第一种情况，也是最容易想到的。宇宙大爆炸之后，我们现在的状态与宇宙大爆炸之初就非常相近，也就意味着，即使我们站着不动，能够看到的最远的距离应该就是138亿光年，因为宇宙的速度极限是光速，理论上第一批诞生的物质即便以光速飞行，与我们最远的距离就是物质光速飞行138亿年的距离，也就是138亿光年。

当然，先不考虑物质能不能达到光速的问题，这里还有一个误差，物质是在宇宙大爆炸之后产生的，两者之间有个时间差，不过这个时间差非常小。

第二，由于宇宙里充满了物质，还有光。而光以光速传播，所有的物质都在空间里运动。根据爱因斯坦的狭义相对论，在我们看来，不同物体之间以及物体与光之间的在相对速度最多可以达到光速的两倍，比如说两束方向相反飞行的光，在我们眼里的相对速度就是两倍光速，而其他情况则小于两倍光速。

于是，理论上我们能看到的宇宙范围并不是宇宙历史乘以光速，而是乘以两倍光速。也就是大约276亿光年。

第三种情况，也是最为复杂的情况，不但要考虑到不同物体之间的相对运行，还要考虑到空间的不断膨胀。

这种情况不太容易理解，但仔细想想还真是那么回事。

我们都知道，自从宇宙大爆炸开始，我们的宇宙就一直在膨胀。物质本身不但在运动，空间也会拖拽着物质一起运动。

具体是如何运动的呢？

举个形象的例子就明白了。就像我们在大海里驾驶帆船乘风破浪一样，借助风的力量，帆船就能快速运动，再加上海浪的不断运动，就会让帆船更快。

帆船相对海浪的运动，就相当于物质在空间里的运动，而海浪自身的运动就相当于空间的膨胀。

所以，我们会发现，不断膨胀的宇宙会让我们看到的范围更广了，那么科学家们是怎么知道的膨胀速度的呢？

这得感谢一位伟大的科学家，哈勃。正是他通过对遥远星系不断的观察研究，最终计算出宇宙的膨胀速率，大约为71千米/秒/Mpc，也被称为哈勃常数。

哈勃常数到底什么意思？Mpc代表百万秒差距，大约为300万光年，哈勃常数的意思就是说，每300万年，星系远离地球的速度就会增加71千米。

根据哈勃的发现，再考虑到广义相对论中的相对论效应，就可以计算出可观测宇宙的大小。

在20世纪20年代，哈勃通过天文望远镜观察遥远星系的运动情况下，偶然间发现了遥远的星系在远离地球，更多的观察让他注意到，所有的遥远星系都是如此，都在远离地球，这也让他坚定了宇宙的膨胀，也是宇宙大爆炸理论的有力证据之一。

哈勃是第一个发现宇宙在膨胀的科学家，他是如何发现的呢？依靠一个效应，多普勒效应，也就是多普勒频移。

简单讲，当光远离我们时，波长就会变长，发生红移。当光靠近我们时，波长就会变短，发生蓝移。

事实上，不仅仅是光，声音也拥有如此特性。或许生活中你并没有注意到这种情况，有机会你可以亲自感受一下。当火车驶向我们时，火车的鸣笛声会变得尖锐。而当火车驶离我们时，鸣笛声会变得低沉。

哈勃发现，宇宙不仅在膨胀，而且膨胀的速度远超光速。当然并不是说任意空间的膨胀速度都超过光速，而是从大尺度上分析得出的结果。举个例子，50个人站成一排，每个人与自己相邻的人都以一定的速度远离彼此，那么第一个人与最后一个人的远离速度就会非常快。每个人就像不断膨胀的气球上的点一样。

对于我们来讲，930亿光年的可观测宇宙就是能够观察的全部，也是有意义的全部。930亿光年外面是什么？没有人知道，对于我们来讲也没有意义，因为那里的一切信息都不会传达到地球。

但可以预见的是，可观测宇宙外面仍旧会是宇宙，真正的宇宙到底有多大？我们很难判断，或许永远也不知道！