超火的科普文：宇宙存在僅 138 億年，為什麼我們能看到 460 億光年的東西？

編者按：為什麼宇宙的年齡約為138億年,目前可觀測的半徑卻是460億光年?聽起來這似乎是很讓人費解的問題，但學會像天文學家一樣思考，你會得出不同的答案。本文譯自 Medium 中原標題為「If The Universe Is 13.8 Billion Years Old, How Can We See 46 Billion Light Years Away?"的文章。

當我們談到宇宙的起源、過去和現在時，很容易被搞得一頭霧水。其中不得不談到的一件事就是宇宙大爆炸，或者說是關於宇宙起源於138億年前的觀點。時至今日我們才能較為準確地描述宇宙：充滿物質，輻射，以及構成恆星，星系，行星和人類的要素。那麼在宇宙中我們可以看到多遠？很多人可能會認為，在一個受光速限制的宇宙中應該是138億光年（宇宙的年齡乘以光速）。但138億光年遠遠小於正確答案，實際上我們可以看到的範圍總直徑為九百二十億光年。

為什麼是這樣？我們可以選擇三種直觀的方式來思考這個問題，但其中只有一種是正確的。

1）物質無處不在，同時光以光速移動。這是大多數人的「默認」假想。你可以想像一個充滿星系的宇宙，這些星系形成伊始便是宇宙的開端。因此時間越長，我們可以看到的地方越遠。所以在138億年後，減去宇宙大爆炸後形成恆星和星系的時間，我們預計能夠看到近 138億光年。

2）物質無處不在，光速為c，同時一切物質都可以在空間中移動。這又增加了一個維度，不僅有大量發光的物質，而且這些發光體可以進行相對運動。通過狹義相對論可知，由於它們以光速運動，當光線以光速移向我們時，我們可以想像這種速度是第一種情況的兩倍，所以現在的距離可能遠達276億光年。同時它們的光線既可以以光速接近我們，也會以光速離開我們  。

3）物質無處不在，光速為c，星系也在不斷運動中，同時宇宙在擴張。最後一層才是大多數人最難以接受的反直覺的設定。但事實的確如此，空間中充滿了物質，它們迅速聚集成行星、星系甚至更大的結構。它們產生的光線全都以c的速度移動，即真空中的光速。之所以這些物質都能在空間中移動，主要是由高密度區域和低密度區域之間的相互引力造成的。所以這才是真正的情況。

但還有一些附加情況，即宇宙本身正在不斷擴張中。當你看到一個遙遠的星系，如果這個星系比其他的更紅，那麼就表示它正在遠離我們，因為光線被轉移到更長（更紅）的波長中去了。這就如同逐漸遠去的警笛聲也會轉移到更長的波長和更低的音高上。同時隨著宇宙的擴展，空間結構不斷延伸，空間中的那些獨立光波也會不斷于波長中延伸。

如果你所能測量的只是光線到達你的眼睛時的波長，那麼你如何判斷它是由於運動還是由於空間結構造成的呢？事實證明，天體的紅向移動與觀測到的銀河亮度之間存在著一種關係，距離是造成這種差異的基本要素。在一個靜止的宇宙中，我們可以觀察到的最大距離是宇宙年齡的兩倍，即276億光年。但在今天的宇宙中，我們已經觀測到比這更遠的星系！

那麼在任意一處我們到底能看到多遠？如果宇宙根本沒有暗物質，最遠的物體便是恆星，星系，宇宙大爆炸中的餘光等，這些物質的距離將被限制在414億光年（由廣義相對論推導而來，即R = 3ct）。但是在一個充滿暗物質的宇宙中，這個結果將被遠遠放大：即460億光年。

擴張的宇宙中，狹義相對論（虛線）和廣義相對論（實心）的預測

把所有這些因素放在一起，這意味著我們在宇宙中可以看到的最遠距離為920億光年。但不要忘了：宇宙還在不斷擴大中！這意味著如果我們今天以光速啟程，最終也只能達到宇宙直徑的三分之一，大約是其體積的3％。換句話說，由於宇宙的擴張和暗能量的存在，即使我們今天以光速行駛測量，97％的可觀測宇宙也已經無法到達了。

對於138億年歷史的宇宙來說，920億光年看起來可能是一個很大的數字，但對於今天充滿物質，輻射，暗能量，並遵守廣義相對論的宇宙來說，這的確是正確的數字。宇宙本身在擴張，被宇宙所包裹的星系和星系團之間也在不斷產生新的空間，這就是宇宙無窮大的原因。鑒於此，如何探尋出宇宙的未來目前還未可知。

編譯組出品。編輯：郝鵬程

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