138亿年前宇宙大爆炸;可观测宇宙半径为450亿光年;光速是已知极限速度;哪个对?
首先,我们先得纠正一下数据,具体来说,目前宇宙的年龄大概是138.2亿年,而可观测宇宙的半径是465亿光年。我相信肯定有蛮多人都有同样的疑问,明明从大爆炸至今才138.2亿年的时间,光在能跑也就是138.2亿光年,可为什么可观测宇宙达到465亿光年,直径约为930亿光年了呢?
其实这是一个非常复杂的问题,我们要拆解开来看。
首先,宇宙大爆炸之后,到底是什么膨胀了?换句换说,我们要搞清楚光速不变原理是对谁来说的?
直接给出结论吧,在爱因斯坦相对论的基本假设中,光速不变原理的是对物质、信息、能量来说的。但是,宇宙大爆炸之后发生膨胀的其实是空间,空间是不受光速限制的,也就是说,空间可以超光速膨胀。事实上,也确实如此,在宇宙大爆炸的第一秒内,发生了大暴胀,空间在10^-33秒内,完成了100次加倍,宇宙空间膨胀到原来尺寸的10^33倍。如果类比一下,你可以这么想象,把当时的宇宙空间看成是一粒沙子那么大,然后扩大到可观测宇宙那么大(直径930亿光年),然后再把可观测宇宙看成一粒子沙子,再扩大到可观测宇宙那么大。所以,大暴胀其实是超乎一般人想象的那种大规模地膨胀,而且极其迅速,远远超过光速。 其次,距今大概40亿年前,宇宙中,暗物质开始占主导,宇宙开始加速膨胀,在很多地方,宇宙空间膨胀的速度相对于我们而言早就远远超过光速,换句话来说,这些地方,我们可能永远也看不到了,因此光在空间中退行的速度,比自身运动的速度还要快很多。所以,空间超光速是没有问题的。
这里还要强调一下,宇宙的膨胀是整体的膨胀,各部分的膨胀效应是相同的。所以在大尺度上(10^8光年的尺度上),星系之间的间距是在彼此远离的。
弄清楚了这点,我们再来把可观测宇宙讲清楚。我们可以试想一下,假设在宇宙正在膨胀,但光波还朝着地球的发现传播,这就好比一个人在机场直行电梯上,朝着反方向在走。这个电梯就好比膨胀的空间,这个人就好比光波。所以,即使这个人走到了你面前,他所走过路径其实要比你看到的要长得多,而他的出发点其实也比你看到的要远上许多。
而我们要知道的是,很多人认为可观测宇宙只有138.2亿光年的半径就在于没有把膨胀效应考虑进去。如果考虑进去,人类最多能看多远呢?其实就是我们能看到的最遥远的光,这就要提到宇宙微波背景辐射了。它就是最早在宇宙中传播的电磁波。
宇宙大爆炸之后38万年后,宇宙大爆炸的余晖以电磁波的形式在宇宙中传播。在这之前,宇宙是黑暗一片的,当时的宇宙更像一片粒子的海洋,光跑不了多久就被散射或者吸收掉。所以,我们没办法看到宇宙大爆炸前38万年的电磁波。这样计算下来,我们大概可以看到的尺度是461亿光年,也就是说,我们能接收到的距离我们最遥远的电磁波是461亿光年外的。
那可能你要问了,不是说好的465亿光年的么?
这里其实是科学家把另外一个因素考虑了进去,话说爱因斯坦的广义相对论预言了“引力波的存在”,后来LIGO果真观测到了引力波,我们都知道引力波是时空的涟漪。
目前,我们的技术只能观测到超大质量的天体碰撞时产生的引力波,如果在未来技术可以提升,我们甚至可以观测到很微小的引力波。所以,其实引力波某种程度是我们的第二双眼睛,它其实是可以起到和电磁波一样的作用。
所以,其实这4亿光年,来自于引力波。宇宙大爆炸前38万年确实是没办法观测到电磁波,但是这38万年的引力波是存在的,所以科学家把空间的膨胀效应考虑进去之后,大概就是4亿光年。加上可观测到电磁波的461亿光年,也就是465亿光年是我们目前理论上可观测到的最大尺度,被命名为可观测宇宙,它其实只是宇宙当中的一部分而已。
所以,最后我们来总结一下,首先,光速不变原理目前来说还是很坚实的,它是针对物质,信息,能量而言的。而可观测宇宙半径是465亿年,也没有问题。这是因为我们能看到的最远的光由于空间膨胀效应的存在,导致这个光是从461亿光年出传播而来,而多余的4亿光年,来自于引力波,这是因为在宇宙大爆炸前38万年,我们能接收到的信息只有引力波而没有电磁波。
对题目字面描述的回答严格说起来题目描述的都不太对,比如说第一个问题,现在最精确的宇宙年龄是138.2亿岁,根据宇宙大爆炸理论,大爆炸发生在138.2亿年前。
第二个问题,最新观测,可观测宇宙的直径为930亿光年,是个以地球为中心,半径465亿光年的球体。
第三个问题,准确地说,光速是静质量不为0的物体运动的最高速,或者是信息或能量传递的最高速,而非宇宙中的最高速。已知比光速还快的速度有:空间的膨胀和量子纠缠等等。
对题目内涵的回答三个问题看似独立,但相互有关联。三个问题看似矛盾,但内在都能解释得通。宇宙诞生于138亿年前奇点大爆炸,说明宇宙在时间和空间是有限的,而且宇宙的寿命只有138亿岁,但可观测宇宙半径却有465亿光年,这意味着宇宙从奇点开始的膨胀速度要大于光速。
这似乎和光速限制原理相冲突,但正如上面所说,空间的膨胀并不传递信息和能量,而且空间并没有质量,因此光速限制原理管不了它。这也从爱因斯坦狭义相对论的质量效应公式也可看出:
其中m为物体的质量,m0为物体的静质量,V为物体的运动速度,C为光速。当m0≠0,V→C时,分母根式→0,则m→+∞,质量会变成无穷大,没有任何能量能推动物体运动,以此来阻止物体运动速度接近光速。但当m0=0时,式子中的Ⅴ即使≥C,分母根式→0或者干脆为虚数,物体的质量仍然是0,这样物体可以轻松超过光速,也无需任何能量。
因此认真分析起来,这三个问题都对,并不矛盾。