宇宙年龄138亿年,可观测宇宙为什么是930亿光年?

根据普朗克卫星对于宇宙微波背景辐射的最新研究来看,宇宙的年龄是13.799 ± 0.021 x 10^9年,也就是137.99± 0.21亿年;至于可观测宇宙的直径是930亿年。这里稍微解释一下可观测宇宙,意思是人类理论上可以看到的宇宙的大小,它其实只是宇宙的一部分。之所以看不到无限远,在于我们是通过电磁波、引力波、中微子等来观测的,它们有速度上限那就是光速,而光走过的距离等于光速*时间。宇宙年龄就那么大,因此,我们也只能看到一定的范围。

按照狭义相对论的基本假设:光速不变原理。我们通过简单的推导就可以知道:物质、信息、能量的运动速度是不可能超过光速的。

那问题就来了,为什么可观测宇宙的半径138亿光年,直径276亿光年,而是直径930亿光年呢?

如果,我们要归纳总结一下这个问题,大概可以归纳成两个因素:

宇宙空间的膨胀引力波、中微子的观测

宇宙空间的膨胀

我们都知道,目前对于宇宙起源的主流理论是大爆炸理论。

大爆炸之后,宇宙的空间迅速的膨胀起来,这种膨胀效应一直持续到如今,尤其是在距今45亿年前,膨胀非但没有减速,反倒开始加速膨胀了。

这里,我们要深刻理解的是“空间的膨胀”。什么是“空间的膨胀”呢?

它实际上并不指物质、信息、能量的运动速度,而纯粹是空间在动。具体该如何理解呢?

我们可以来举个简单的例子,假设你有一个气球,这个气球上有一个个小点,我们可以把这些小点看成是宇宙中的星系,而气球表面就是宇宙空间。这时候你逐渐去吹气球,你就会发现,随着气球的膨胀,小点之间的距离也在增大,也就是说,宇宙空间在膨胀,这其实并不是星系在移动,同时星系之间的距离在变大。

为了方便理解,我们可以再现象一个场景,假设你站在一个地方,周围以你为圆心建了一个个机场的直行梯,这个梯子的移动方向沿着直径远离你的,电梯上有一个个的人。这时候,我们可以把你现象成“银河系”,把在电梯上的其他人想象成“其他星系”,这时候电梯启动,你会发现,即使其他人不动,他们也在远离你,这电梯的移动就类似于宇宙空间的膨胀。

知道了这些,我们就很容易下这么一个结论,那就是宇宙的膨胀是各个部位的空间都在变大,因此,所有的星系看到其他星系都在远离自己。

所以,由于宇宙膨胀效应的存在,我们能看到的尺度其实是会拓宽的。为什么这么说呢?

要知道,我们观测是利用电磁波的传递的,可能宇宙大爆炸初期离我们很近的星系发出的光,由于宇宙膨胀的问题,导致它要比原本到达的时间更晚一些到。

所以,我们可观测范围其实要带上宇宙膨胀效应,通过理论模型一计算,就会发现我们能够观测到的理论值是直径922亿光年。

可能你要问了,不是说好的930亿光年么?那8光年哪里去了?其实这都怪:光的穿透力不行。

引力波、中微子的观测

上文我们也说到,所谓的观测其实是利用电磁波(光)观测。但问题来了,宇宙大爆炸初期,整个宇宙就是一锅粒子汤,光子也混在其中,跌跌撞撞,一直没办法穿透出来。一直到了宇宙大爆炸之后38万年,光子才从当中穿越出来,在宇宙中开始传播。

也就是说,刚才说到的观测范围其实是从宇宙大爆炸之后38万年开始的,一直到现在。但是如果加上那38万年,其实我们理论上能够观测到的范围就会更大一些。但是电磁波是指望不上了,还能靠啥呢?

也就是不会被这锅粒子汤束缚住的东西,目前我们已知的有引力波和中微子,可能还会有暗物质。

所以,对于原初引力波和原初中微子的观测,可以进一步扩大我们的观测尺度,当然,引力波的传播速度是光速,而中微子则是低于光速的,它们也同样需要考虑宇宙空间的膨胀效应,计算下来,这38万年足够引力波传递4亿光年的,换算到直径上,也就是8亿光年,加上之前的922亿光年,我们就可以得到可观测宇宙是930亿光年了。

最后,我们来总结一下,可观测宇宙的直径是930亿光年,这主要是因为宇宙空间膨胀效应的存在,使得通过电磁波我们理论上可观测到的范围可以达到922光年,但是电磁波是从宇宙大爆炸之后38万年才开始传播的,而我们通过引力波还能够看得更远,能够额外多提供8光年的尺度,所以加起来是930亿光年。