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愛因斯坦說光速不可超越,宇宙138億年,為何能膨脹出930億光年?

都說宇宙廣袤達到了138億光年,光從如此遙遠的地方到達這裡,早就過去了138億年,那麼現在那宇宙的邊緣,怎麼樣了呢?

宇宙到底是什麼時候誕生的?

科學家也一直想弄明白宇宙到底有多大,這事情從牛頓時代就開始折騰了,牛爵爺根據封閉空間內引力會逐漸收縮到一點,而現在的宇宙好好的,從而推測出宇宙無限大!之後還有奧伯斯老爺子也根究夜空沒有像白天一樣亮推測出宇宙有一個有限的開始!

大爆炸模型

兩位大佬都說的非常有道理,但有一個致命的缺點就是他們都沒證據!討論這個問題必須要到愛因斯坦的廣義相對論發表後才有可能,弗里德曼和勒梅特根據公式推導得出了宇宙可能在動態中,而勒梅特則更進一步提出了原生原子說(宇宙大爆炸的前身)。

註定科學界要在二十世紀三十年折騰出一個大事件,哈勃經過十年的觀測證明了遙遠的宇宙正在快速離去,支持了勒梅特提出原生原子的膨脹說,那麼反推過來,很久很久以前的宇宙就在一個很小的空間內,這就是最早的大爆炸說來歷!

哈勃紅移

當然宇宙既然發生了大爆炸,那麼必定有留下證據了,它們都在哪呢?科學家們行動起來,提出了大爆炸的太初物質合成說,還根據大爆炸理論提出了餘暉的說法,而這兩個最關鍵的事情則被從三十年代起快速發展的射電天文學給解決了!

首先是觀測到了銀河系中星雲物質的比例,和大爆炸的太初核合成比例非常接近,另一個則是真正觀測到了宇宙微波背景輻射,至此大爆炸理論的道路已經走通!不過卻有一個問題,大爆炸的高溫會產生出磁單極子,宇宙微波背景輻射溫度非常均勻,星系觀測各向同性,而且宇宙幾乎就是平坦!

暴脹理論

這些問題統稱為視界問題、平坦性問題和磁單極子問題!所有問題大爆炸都無法解釋,因此阿蘭·古斯在1980年代提出暴脹理論,認為宇宙在誕生初期時經歷了一個暴脹的過程,儘管它非常符合當前的宇宙模型,但也不是所有的科學家都是支持的,比如諾獎得主彭羅斯就支持循環宇宙模型,他對暴漲模型不感冒!

大爆炸剛發生後的超光速暴脹過程產生了引力波。

宇宙的年齡

結合宇宙大爆炸以及暴脹模型,還有普朗克衛星測定的最精確的哈勃常數,科學家在2015年時得到了一個宇宙誕生的大致年份,大約在137.87±0.02億年前!

宇宙的年齡可以通過對哈勃常數以及所含成分的密度參數的測量決定

為什麼138億年的時間膨脹出了465億光年的宇宙

有了宇宙誕生的模型、參數和時間,那麼科學家計算出了宇宙的大小,大約930億光年直徑!也許大家有點懵逼,宇宙誕生不就是138億年么?怎麼就膨脹出465億光年半徑的宇宙,即使以光速膨脹宇宙也就276億光年直徑,難道算錯了嗎?

其實還真錯了,因為宇宙的膨脹根本就不受愛因斯坦的狹義相對論約束,空間膨脹不傳遞信息,而且在宇宙的每一處都在膨脹,這個速度是多少呢,就是哈勃常數,2013年時普朗克衛星測量的是67.15千米/秒·百萬秒差距,這個解釋就是每隔326萬光年,宇宙膨脹的速度就增加67.15千米/秒,所以當宇宙越來越大時,它膨脹的速度也會越來越快,終會在宇宙的某處超過光速!

所以經過138億年,宇宙膨脹到465億光年半徑完全沒毛病!

138億光年外的位置,現在怎麼樣了呢?

我們來看看人類極限能觀測的這些地方,都膨脹到了哪裡!到目前為止人類觀測到最遙遠的天體是GN-Z11星系,它是哈勃在宇宙組合體近紅外深河外星系遺迹巡天調查時發現的,大約在宇宙誕生4億年後!到現在它大約膨脹到了300億光年外!

電磁波段能觀測到最遠的位置是宇宙微波背景輻射,大約在宇宙大爆炸後38萬年後光子退耦後才出現的大爆炸餘暉,它大約膨脹到了461億光年!

當然大爆炸最初發生的那一剎那之後,暴脹期產生了引力波,所以我們還有一個用引力波觀測的手段,也許那個引力波探測天線可能高達光年級別,至少現在是不用考慮了,這個位置,大約在465億光年!

以上幾個是人類觀測手段窮盡極限所能達到的可能,而2021年10月份,詹姆斯韋伯望遠鏡要發射升空了,也許他能將人類觀測到最遙遠的星系推進幾個數量級。

目前138億光年外的地方正在發生什麼?

根據哈勃常數,我們可以算出在這個位置大約正以284,254.6千米/秒的速度膨脹,距離光速也就一丟丟了,據此計算,現代宇宙大約在145億光年外膨脹超過光速!不過前提是目前的哈勃常數,而它是會隨著時間改變而改變的,當138億光年外的星光傳遞地球時,也許就不是那樣了!

不過還有個有趣的消息,1998年兩個科學團隊還發現了宇宙在45億年前開始了加速膨脹,這估計讓大家有點懵,膨脹的好好的,突然來一個加速膨脹,這宇宙要把自己撕裂嗎?還真有可能,因為大撕裂本來就是宇宙最終結局的一個選項!

所以宇宙未來真的會撕裂嗎?

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