宇宙的年龄约为138亿年,为什么目前可观测半径却为460亿光年?

为什么宇宙能在138亿年以内产生了至少是460亿光年半径的空间范围呢?难道说宇宙的膨胀超光速吗?

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5个答案
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LePtC物理学博士生

2013-11-17 07:12

谢邀
实际上这都不算是个问题,因为光速乘以宇宙的寿命没有任何物理意义...
其实只要把哈勃定律科普一下,这个问题就解决了

哈勃定律:星系远离的速率和距离成正比
也就是说,离地球足够远的星系是可以以超光速远离地球的[1]
这不违反相对论,相对论限制的是传播因果的信号的速度不能超过光速,但这里是空间本身在膨胀
打个通俗的比方就是,交通规则限制的是你在路上开车不能超过某个速度,但没限制这条路变长的速度...
所以实际的宇宙比可观测宇宙还要大,如果你开车的速度赶不上路变长的速度,那你永远也看不到终点...

好吧,宇宙是超光速膨胀了,但人类的可观测范围不应该超光速啊?

可观测代表的是,理论上,光线或是其他信号,有从物体到达观测者的可能,与人类的探测能力无关。那么这个到达观测者的光线可能是从很久以前,光源离地球还比较近时发出来的。后来这个光线身后的空间以超光速膨胀了,但此时光线已经跑得足够接近地球了。地球接收到这样的光线,反推发出它的光源现在与地球的距离,就会得出超过光速的可观测半径。(如果对这一点还不太理解的话,文章最后附有练习)

咦?怎么这么巧,离地球越近的空间膨胀得越慢?

我觉得这里会有人蹦出来问难道地球是宇宙的中心的问题...宇宙没有中心,想象吹胀一个气球,那么气球上任何两点都在远离彼此。实际上,哈勃定律的含义是,宇宙介质在按保持其均匀的方式在膨胀。想象一团不考虑热运动的均匀气体,气体在保持均匀地膨胀

那么每个分子都会看到别的分子在远离它而去,假如单位时间内,A1远离的距离为s,那么为了保持均匀A2就应远离2s,A3就应远离3s,而这正是哈勃定律描述的状况[2]

好吧,那宇宙年龄是怎么算出来的呢?

宇宙既然是在膨胀,那么反推回去必然有一个密度为无穷的时刻,把这个时刻规定为零点,到现在的时间就是宇宙的年龄。这种用哈勃定律反推的方法得出的宇宙年龄叫哈勃年龄,具体还要考虑加速膨胀的修正,详情请自行阅读维基百科...

所以这就解释了最开始的问题,把宇宙年龄乘上光速并没有什么意义,哈勃定律才是现代宇宙学的基石

附加一个问题作为练习:我们接收到的宇宙微波背景辐射就是来自上面所讲的可观测半径吗?

我们现在看到的微波背景辐射,就是 宇宙大爆炸再复合时期逃逸的光子
(因为在这之前,宇宙是一个对光子不透明的等离子体)
这件事发生在距今约138亿年,发射这些辐射的物质现在已经凝聚为星系,这些星系距离我们约460亿光年[3]
再对比题主题目中的数据,你应该清楚这两个数据是怎么回事了吧~

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@LePtC 已经回答得很具体了,我来给个简化的土版本。

这个问题的常见困惑在于,既然光速不变,那么如果我们看到一个138亿年前的天体,为什么它会距离我们超过138亿光年?产生这个结果的原因在于宇宙不是静态的,而是不断膨胀的。

让我画个很土的图来说明一下,假设一开始有两个星系,相隔一段距离。我们用"S" 来表示星系,">"来表示星系发出的光,左边那个星系发出了一个光子:
_____________ _________________
过了那么些个亿年,光子还在路上走,但是宇宙同时在膨胀,两两之间的距离都在增加:
_______________________
最终过了138亿年,这个光子终于到达了另一个星系:
_______________

(请忽略图里的下划线,纯粹是用来对齐的...)

这里有三个长度:1)从光子的角度来说,这个过程中它实际走了138亿光年;2)从星系角度来看,当右边那个星系收到光子的时候,左边那个星系的实际距离已经超过了光子实际走过的距离,即大于138亿光年;3)同时可以推论,在一开始的时候,两个星系间的距离小于138亿光年。这个是宇宙膨胀的自然结果,如果宇宙是静态的,那这里的三个长度都等于138亿光年。

如要计算两个星系间当前的实际距离,那需要知道宇宙是怎么个膨胀法的。测量宇宙的膨胀历史是现代宇宙学最重要的内容之一。

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卢瑟傅里叶想要改变世界,上帝没给我源代码

2013-11-21 17:03

弱弱地猜一下:

假设宇宙是个球面,宇宙膨胀的方向是沿球体半径向外的,而我们所谓的可见宇宙是以球面上一点为中心、弧长为可观测宇宙半径的球冠的表面。“星际距离”是过球面上两个天体之间的大圆距离。

假设两天体与球心连线夹角为 θ,宇宙膨胀速度为 v,那么“星际距离”的增长速度是宇宙膨胀速度的 θ 倍。(s = Rθ)

这是三维球面宇宙的情况,如果宇宙是个四维超球体,应该也是同理吧。

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关于哈勃定律的问题可以参考梁灿斌教授的《微分几何与入门与广义相对论》,理论类研究在arXiv.org上有很多最新研究结果,在我最近的一篇论文中也有提到,见http://arxiv.org/abs/1312.3110

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支持者: 水草贝贝

始终不能理解什么叫“空间本身的膨胀"。
假如我在太空搞一个化学爆炸或核爆炸,显然很容易做到让爆心附近的所有物质都互相远离,并且符合哈勃定律,我可不可以声称爆心处的空间发生了膨胀?
按我理解的广义相对论,时空的几何性质是由在其中的物质的分布及其运动方式决定的而不是相反,“宇宙膨胀”应该是对“宇宙中的星系在互相远离”的简称(这种互相远离是不可能超光速的),不存在什么能带着物质膨胀的“空间本身”。因此也不应该存在什么460亿光年以外的星系。在大爆炸后离我们最远,跑得最快的物质,会由于相对论的钟慢效应,趋于冻结在138亿光年远的视界上(紧跟视界膨胀,但时间趋于停止),而不是越过视界,跑到460亿光年以外去。退一万步说,即使存在这样的星系,那它也应该从大爆炸伊始就脱离了我们的视线,与我们的宇宙不再发生任何的因果联系,不能视为我们宇宙的一部分。

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