宇宙年龄138亿年,直径930亿光年,宇宙膨胀超光速了吗?

在这个问题中出现了两个数字和两个概念,那我们就来分别详细的把这些概念说清楚,那么问题也就迎刃而解了。对于宇宙我们最直观的感受就是大并且历史悠久,在空间上和时间上都属于极致的一幢状态。目前的科学体系就是建立在奇点暴涨之后,经常有人提出这样的言论:奇点之外是什么?奇点之前是什么?那么就就彻底告诉你,在当前的科学体系下奇点之外和之前的概念是没有意义的。

宇宙年龄138亿年

目前对于宇宙演化的主流科学观点就是奇点大爆炸,人类对于宇宙的认识是一个渐进的过程,在远古时期大家都认为我们生活的世界就是一个无限的平板,而非是在一个球体的表面,而随着地心论、日心论的更替,我们的宇宙观逐渐变化了,从太阳系到银河系,最后再到本星系群、室女座星系团等等。

但一直以来科学家都认为宇宙是稳态不变并且是无限的,即使爱因斯坦也没有跳出这样的思想怪圈。在1916年爱因斯坦把引力加入到自己的理论框架中,从而提出广义相对论,爱因斯坦应用用广义相对论场方程,对宇宙演化的问题进行研究验证。结果出来让爱因斯坦眉头紧锁,宇宙竟然是动态变化的,这个与主流的科学观点是不相符的,最后爱因斯坦也选择了权威,接受宇宙是稳态的,同时在自己的场方程中加入了宇宙学常数。

后来哈勃借助天文台发现了很多河外星系,它们都在远离地球,爱因斯坦听说过后就挺疑惑的,因此亲自去哈勃工作的天文台观测星系红移现象,至此宇宙大爆炸理论的首个证据被找到了,因为宇宙的演化是动态变化的,除此之外宇宙背景微波辐射的发现,让宇宙大爆炸假说更加正统。通古计算哈勃常数,最后可以简单得到宇宙的年龄,大约在138.2亿年前,一个无限致密、质量无限大、体积无限小的奇点“爆炸”了,宇宙开始演化一直到今天仍旧在不断的膨胀。

可观测宇宙直径930亿光年

目前的可观测宇宙直径930亿光年,也就是半径为465亿光年,这是很多人非常疑问的一点,因为宇宙年龄只有138亿岁,换言之也就是给了宇宙138亿年的膨胀时间,按照最快光速膨胀,宇宙的干净也应该只有138亿光年,目前来看宇宙膨胀超光速,那这是否违反了爱因斯坦的相对论要求,咱们在后文继续说明。

实际上930亿光年,只是人类目前可以观测到的宇宙范围,也就是以地球为核心的一个半径465光年的球体范围。但这并不意味着宇宙的真实范围,只是距离我们465亿光年远外的星系或者物质的光刚刚到达地球被我们看到,而距离更远的光尚还没有来到地球。更简单的来说,可观测宇宙范围是和人类能产生因果关系的范围。

如果换一个中心可观测宇宙直径依然是930亿光年,那也就意味着现在的真实宇宙大小远大于930亿光年,科学家预估不可观测宇宙直径至少在23万亿光年,这样来看宇宙的膨胀速度已经远远超过光速了。只是宇宙边缘的光在宇宙超光速的膨胀下,可能要很久很久之后才能到达地球。

光速最快吗?

千万提到了宇宙膨胀是超光速的,这是目前被认可的超光速案例之一,宇宙中光速并非是最快的,爱因斯坦对于光速的准确描述如下:

如果物体有静止质量,那么它的速度永远无法达到光速,例如光子的静止质量为零,它的速度就为光速,中微子等质量非常的小,但依然是有质量的,所以即使速度很快但还是无法达到光速;

信息的传递速度无法超过光速,这一点也很好理解,目前信息最快的传递方式就是光速了,例如无线电信号等。

那么在不违反上述两个限制条件的情况下就可以实现超光速,首先宇宙膨胀本质上是膨胀的空间因此可以超光速;而量子力学中研究的量子纠缠,本身也是远超过光速的存在,但是量子纠缠无法进行信息传递。有的人说潘院士的量子通信不是在用量子纠缠传递信息吗?实际上并非如此,量子通信技术是加密技术,信息传递靠的依然是电磁波;最后一个超光速的案例就是量子隧穿效应了,也是被允许超光速的存在。

宇宙大爆炸及发展过程

目前关于宇宙演化的主流观点就是宇宙大爆炸,目前已知所有的物质能量,时间和空间都是起源于138亿年前的那个奇点。之后宇宙经过减速膨胀到最后加速膨胀,形成了今天这样规模的宇宙。

受到“大爆炸”这个名词的影响,很多人理解中宇宙有一个中心,从这个中心向外辐射,实际上从宇宙膨胀的概念来理解,宇宙中处处都是核心。哈勃定律认为距离我们越遥远的星系,它的退行速度也就是越快的,宇宙时时刻刻每一点都在膨胀。最开始科学家认为按照牛顿的万有引力定律,宇宙应该在自身的引力拉扯作用下减速膨胀,这很好理解。

按照大爆炸理论宇宙就像是在做初速度很大但受力和运动方向相反的运动,但是根据科学家的实际观测表明宇宙正在做加速膨胀,这种实际情况是反常识的。那么也就意味着宇宙在受到额外的力,来推动着它加速膨胀,同时抵消自身的引力拉扯作用。

最后科学家给这个看不见的手取名为暗能量,它的作用机制比较奇特,表现的是距离越远斥力的效果越明显,宇宙最初的演化是减速膨胀的,但是随着时间的推移,宇宙距离的变大,超过一个临界点之后最终开始加速膨胀,按照这样下去宇宙最终会进入大热寂的状态,那可能是宇宙的终极命运了。

总结

介绍了四个问题中所提到的观点,就可以很好的理解了,因为宇宙是在超光速膨胀的,因此会出现138亿年的时间膨胀半径达到465亿光年,并且宇宙的超光速膨胀并不违反爱因斯坦的相对论限制,因为膨胀的是空间而非物质。在未来宇宙只会膨胀的越来越快,直到有一天甚至粒子都会撕碎,宇宙进入热寂状态。

文/科学黑洞,图片来源网络侵删。