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宇宙年龄只有138亿岁,范围却有上千亿光年,这里面有矛盾吗?

这是很多人的疑问:宇宙年龄才有138亿岁,但范围却有上千亿光年,怎么长得这么快,不是任何物质运动都不能超过光速吗,这岂不很矛盾

如果我告诉你,宇宙直径远远不止上千亿光年,你信吗?

所谓宇宙直径约930亿光年,半径约465亿光年,这只是宇宙的“可观测”直径或半径,就是根据人类视力与光速的某种关系,未来可能能够观测到的宇宙极限。而真正的宇宙远远不止这么大,到底有多大,科学界目前无法定论。

这是因为科学界无法知道过去的138亿年,宇宙从诞生到现在,到底膨胀速度有多快。现在的观测只知道哈勃常数约68~84km/s・Mpc之间,也就是在距离我们百万秒差距(约326万光年)的地方,宇宙膨胀速度(星系远离我们的速度)在68~84km之间,如果平均算一下也就是约76km/s・Mpc。

这是一个什么概念呢?就是经过天文学家们的观测,宇宙膨胀是各向同性,并且速度与距离成正比例关系的,也就是人类无论从哪个方向看,星系都正在离我们远去,而且是越远速度越快,速度与距离成正比例线性关系。

哈勃定律

根据长期天文观测结果,天文学家埃德温・哈勃在上世纪初叶创立了哈勃定律,简单表述为:V= H*D。这里的V表示星系的视向速度,H表示哈勃常数,D为星系距离。根据这个定律,将哈勃常数代入,我们可以得出在可观测宇宙最远处(约465亿光年,14264Mpc),星系离开我们的速度达到光速的3.6倍多。

因此,可以认为现在可观测宇宙膨胀速度至少是光速的三倍多。但这种膨胀是指大尺度叠加的膨胀,距离越近膨胀速度就越慢。实际就是所有星系都相互离开,这样距离我们越远的星系叠加起来速度就越快。

这只是现在的膨胀速度,如果以这个速度往回推算,就可以得出宇宙是从哪一个时刻开始爆炸的,这就是宇宙寿命的由来。因此哈勃常数测得越准确,宇宙年龄就越准确;哈勃常数越大,宇宙年龄就越短;反之就越大。

宇宙暴涨

宇宙膨胀速度预测只能是大概的,因为人们完全不知道在这100多亿年中,宇宙是不是一直这样膨胀着。科学界认为,宇宙大爆炸刚开始时,宇宙曾经发生过暴涨,这个暴涨速度大过光速不知多少倍。现代宇宙标准模型具体描述为,在宇宙大爆炸开始的10^-35秒时,发生过时间只有10^-33秒的暴涨,这短短的一瞬,宇宙经历了100次加速,也就是2^100次加速,宇宙从原来尺度增长了10^30倍。

这个“原来的尺度”有多大?如果宇宙暴涨前的尺度只有一个原子大小,也就是10^-10m,那么这一瞬间就突然膨胀到了约10万光年直径。这比光速快多少倍,简单计算至少快30万亿亿亿亿亿倍。

宇宙由于存在38万年的过去视界,和可观测宇宙之外的未来视界,因此宇宙到底有多大,现在无法知道。何谓过去视界?就是在宇宙大爆炸开始的38万年间,温度密度太高,电磁波无法逸出,因此属于没有光的暗黑时期,人类无法观测到;而可观测宇宙之外,由于星系离开速度太快,那里的光线永远无法到达我们的视界里,也永远无法了解到。

引力波的发现,理论上对我们了解过去视界提供了另一个途径。因为过去视界虽然没有光,但引力波可以传出来,就像利用地震波测量地质结构,引力波也可以测出大爆炸那一刻一直到38万年这段黑暗时期的历史;但未来视界光无法传回来,引力波自然也无法传过来,因此是永远无法了解的。

不受光速极限限制的宇宙现象

爱因斯坦相对论的立论基础就是光速极限和光速不变,也就是说宇宙中物质运动最快速度就是光速,任何有静止质量的物体都无法达到光速。但由此有人认为宇宙中最快的速度就是光速,其实这是个认识误区。

所谓物质运动不能超过光速,是指有静止质量的物体。只有静止质量为零的物质,才有可能达到光速。除了光子、假想的引力子等为数极少的几种媒介子静止质量为零,宇宙中静止质量为零的物质极少。

而宇宙中超越光速的现象还是存在的,只不过这些不属于物质运动,如量子纠缠、曲速航行、虫洞穿越等。量子纠缠是物质的基本属性,只发生在量子系统的现象,没有传递信息和能量;时空折叠或虫洞穿越都不是物体本身移动超过光速,而是通过缩短时空距离或抄近道,减少了到达目的地时间而已。就像火车穿越隧道,就缩短了围绕着山转的距离,这样到达目的地的时间就用得更短了,而不是火车速度加快了。

宇宙膨胀也不是物质运动,不受光速极限限制。

宇宙膨胀是时空本身的膨胀,时空是没有质量的,也不是物质,也不传递信息。而且时空膨胀是叠加起来才很快的膨胀,在我们附近根本感觉不到这种膨胀。我过去多次比喻过,就像围绕着我们周围插竹竿,每根竹竿间隔1米,最远的第100根距离我们就是100米,现在每根竹竿都扩大距离1米,这样距离我们最近的就是2米,而最远的那根瞬间就距离了200米。近处看移动很慢,远看离开我们才很快,而且越远离开得越快。

宇宙通过暴涨和加速膨胀,经历了130多亿年,就膨胀到现在可观测宇宙半径为465亿光年了。这就是宇宙膨胀的奥秘。

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