宇宙年龄 138 亿年,宇宙直径 930 亿光年,光速最快,这跟宇宙爆炸论不矛盾吗?

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宇宙年龄 138 亿年,宇宙直径 930 亿光年,光速最快,这跟宇宙爆炸论不矛盾吗?鲁超,赛先生
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题主这个问题很好,我以前也曾困扰过。

有基本科学素养的人,遇到一个量,首先会想一个问题:“这个是怎么测(算)出来的?”

宇宙年龄 138 亿年,宇宙直径 930 亿光年,光速最快,这跟宇宙爆炸论不矛盾吗?

哈勃发现众多遥远星系都在相对于地球退行,而且越遥远的星系退行速度越大,这意味着宇宙正在膨胀。爱因斯坦在证据面前低下了头,放弃了他在宇宙常数上的工作。下两图为 1931 年,爱因斯坦前往威尔逊山天文台,感谢哈勃为现代宇宙学提供了观测基础。

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根据遥远星系退行速度(v)和距离(d)是线性的比例,我们可以得到一个哈勃常数(H 或 H0)的概念,数学式如下:

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现在测得哈勃常数的值约为:70(km / s)/ Mpc。(量纲为 s^-1)

通过哈勃常数可以粗略估计宇宙的年龄:哈勃常数的倒数——哈勃时间。

比如以前测得 H0=69s^-1,则可算出哈勃时间约为 145 亿年。很简单的,如下图,一个除法搞定,然后就是单位换算了。

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这只是一个例子,预知后事如何,继续往下看

但我们的宇宙并不是仅有稀稀落落的星光,更是弥散着暗物质和传说中的暗能量。必须考虑到它们的能量密度,所以现代的标准宇宙学模型也叫作 ΛCDM 模型,Λ(Lambda)就是暗能量,CDM 就是 cold dark matter(冷暗物质)。所以宇宙年龄必须要根据下面的式子修正:(其中 F 是校正因子,括号里的三个参数 Ωr,Ωm,ΩΛ 分别为常见物质、暗物质、暗能量的密度分数)

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好了,到了实操阶段了,Ωr,Ωm,ΩΛ 究竟是多少,还得靠观测说了算。最早的微波背景辐射对前两者的测量还凑合,对暗能量就力有不逮了。

2012 年,威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)公布了为期 9 年的数据,可计算得宇宙年龄为:(13.772 ± 0.059)× 10^9 年。

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2015 年,根据 WMAP 的继任者、清晰度更高的普朗克卫星的数据,可计算得到宇宙年龄为:(13.799 ± 0.021)× 10^9 年。这是人类获得的最精确的宇宙年龄的数据,也是我们现在一般使用的最可信的最具说服力的宇宙年龄数据。

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所以啊,我们宇宙年龄 138 亿年是基于一步步的观测数据而计算出来的,也许这个数字以后还将会变得更加精确。

具体的计算公式我也不太懂,大致上,根据不同的 Ωm,ΩΛ 值,也就是宇宙中的暗物质和暗能量的密度,可以在下图中拟合出不同的曲线,根据观测,我们的宇宙是其中的紫线,可以看出:

1,总结过去,我们的宇宙诞生于约 138 亿年前。

2,展望未来,我们的宇宙将继续膨胀下去,等待我们的将是大撕裂。

3,其他类型的宇宙也挺有意思,比如蓝色的德西特宇宙,就是没有起始点的宇宙。而青色的闭合宇宙,起源于 60 亿年前,也将在一百多亿年后以大坍缩的形式终结。

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好了,宇宙年龄怎么来的我们大致上是知道了,那么可观测宇宙的直径是怎么来的呢?

我们都知道宇宙从大爆炸一个原点开始,就开始加速膨胀,好比吹气球。空间在膨胀,这个速度是可以超过光速的。

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那么 138 亿年后,我们现在能看到的范围有多少呢?

这似乎是一道小学奥数题,越远的星体退行速度越快,那么我能看到的范围一定有一个极限,因为当它们的退行速度超过光速以后,我们就永远看不到它们了。但也不是一个简单的 138 亿光年,因为现在比 138 亿光年远的地方,它们之前可没那么远啊。

其实啊,要解决这个问题,依靠小学奥数水平远远无法解决。可以通过一个积分的数学处理,这个说难不难说简单也不简单,如下,看不懂的领会我上面的精神即可。

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这样的话,理论上我们应该能看到 138*3=414 亿光年以外的范围。

和计算宇宙年龄一样,也必须考虑到宇宙的暗物质和暗能量密度,根据现有宇宙模型修正后的数字为 465 亿光年。(可观测宇宙半径)

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可观测宇宙之外是什么呢?整个宇宙还有多大呢?

这已经很难依靠现有的观测数据了,甚至严谨的说,连宇宙是有限的还是无限的也不能下定论。不同的理论有不同的估计,我们仅仅列举几种比较有名的。

1,1998 年,Alan H.Guth 根据暴涨理论,假设暴涨发生在大爆炸之后大约 10^-37 秒,那么可以假设发生暴涨之前,宇宙的大小约等于光速乘以其年龄的乘积,这表明目前整个宇宙的大小至少是可观测宇宙半径的 3x10^23 倍。

这似乎是一个天文数字了。

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2,2006 年,Susskind 反对霍金的无边界假说(宇宙是有限无边的)发表论文,表示整个宇宙的大小大约为 10 的 10 的 10 的 122 次方秒差距。(1 秒差距 ≈3.262 光年)

这个就更加离谱了!

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3,也有比较保守的。2011 年,英国科学家 Mihran Vardanyan,Roberto Trotta 和 Joseph Silk 等人的一项研究表示,整个宇宙的大小约是可观测宇宙体积的 251 倍。这篇文章被发表于杂志《universetoday》上。

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如果还要追问整个宇宙真正多大,可能要等我们掌握超光速技术才行了。

1000 年内能发明出曲率引擎吗?


PS:高赞里的 24 万亿光年是不正确的。

这可能来自一个误解:

2004 年,Neil J. Cornish, David N. Spergel, Glenn D. Starkman, and Eiichiro Komatsu 等人发表的论文显示:根据 WMAP 第一年的数据,能够排除我们生活在一个直径小于 24 Gpc 的球形空间里的可能性。

2012 年,他们已经把这个数字调整为 26Gpc。

即使如此,24Gpc 其实是 240 亿秒差距,对应于 780 亿光年。(G 是十亿,pc 是秒差距的意思)这个 780 亿光年的数字倒是在很多地方都被引用。

参考:

1,https://wmap.gsfc.nasa.gov/universe/uni_age.html

2,http://www.astro.ucla.edu/~wright/cosmology_faq.html#DN

3,https://en.wikipedia.org/wiki/Universe#Size_and_regions

4,https://en.wikipedia.org/wiki/Observable_universe#Size

5,https://en.wikipedia.org/wiki/Age_of_the_universe

7,https://en.wikipedia.org/wiki/Lambda-CDM_model

8,https://en.wikipedia.org/wiki/Hubble%27s_law#Observed_values_of_the_Hubble_constant

9,https://www.sciencepagenews.com/2019/08/27/hubble-constant-shows-something-is-fundamentally-wrong-with-our-conception-of-the-universe/

10,https://archive.org/details/inflationaryuniv0000guth

11,https://arxiv.org/abs/hep-th/0610199

12,https://www.universetoday.com/83167/universe-could-be-250-times-bigger-than-what-is-observable/

13,https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.92.201302

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