宇宙誕生於138億年前 爲什麼我們可以看到460億光年遠的宇宙
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這是一個非常遙遠的宇宙的圖像,其中許多星系離我們有幾百億光年遠。
關於宇宙有一些基本的事實——它的起源,它的歷史,以及它今天的樣子——我們每個人都多少了解一些。
藝術家對可觀測宇宙的對數尺度想象圖
(1)物質無處不在,光以光速傳播
這是大多數人的“默認”模式。你可以想象一個到處都是恆星和星系的宇宙,這些恆星和星系現在的狀態和宇宙開始的狀態非常接近。因此,我們等待的時間越長,我們就能看到的越遠,因爲光以光速沿着直線傳播。所以在138億年之後,你預計能看到大約138億光年,即使有誤差,也僅僅是減去恆星和星系在大爆炸後形成的時間。
古德斯-恩菲爾德星系,星系gnz11突出顯示:目前發現的最遙遠的星系。
(2)物質無處不在,光以光速傳播,一切都能在空間中移動。
這增加了問題的另一層;不僅有大量的物質可以發光,而且這些發光的物體可以相互移動。因爲它們可以根據狹義相對論的規則移動到(但不完全是)光的速度,而光以光速向你移動,你可以想象在第一種情況下會看到兩倍的光。假設它們的光現在到達我們這裏,它們以接近光速的速度離開我們,也許現在的可視宇宙可以達到276億光年。
宇宙的不同可能的命運,與我們真實的,加速的命運在右邊顯示。
(3)物質無處不在,光以光速傳播,恆星和星系移動,宇宙在膨脹。
這最後一層是違反直覺的,大多數人都是最難理解的。是的,空間充滿了物質,它會迅速聚集成恆星、星系甚至更大的結構。是的,它所產生的光都是以光速在真空中傳播。而且,所有這些物質都能在太空中移動,這主要是由於不同的高密度區域相互吸引。所有這些都是正確的,就像在第二種情形中一樣。
星系的“流動”與附近的質量場相對應。
但也有一些額外的東西。就是空間本身在膨脹。當你看到一個遙遠的星系,發現星系比正常更紅了,一般的思考方式是該星系是紅色的,因爲它在遠離我們,因此光線以同樣的方式轉移到長波(紅),類似於120急救車警報遠離你的聲音,它們轉移到更長的波長和低音調。
這說明了在膨脹的宇宙中紅移是如何工作的。
但是我們還要考慮到宇宙本身在膨脹,因爲宇宙膨脹,空間結構延伸,在那個空間裏的光波也可以看到它們的波長出現延伸!
你可能認爲不可能把這兩種效果區分開來。如果你能測量的是光線到達你的眼睛的波長,你怎麼知道它是由於運動還是由於空間的結構?事實證明,紅移(也就是波長)和觀測到的星系亮度之間存在一種關係,這是距離的函數。在一個不膨脹的宇宙中,正如我們前面所提到的,我們能觀測到的最大距離是宇宙年齡的兩倍,即276億光年。但是在我們今天的宇宙中,我們已經觀測到的星系遠比這遙遠!
狹義相對論(點)和廣義相對論(實線)預測宇宙膨脹的距離。確切地說,只有廣義相對論的預測與我們觀察到的相符。
把這些都放在一起,這意味着我們可以看到的宇宙間的距離,從一個遙遠的一端到另一端,是920億光年。別忘了,它還在繼續擴張!如果我們今天以光速離開,我們只能到達大約三分之一的路程,大約是它體積的3%。換句話說,由於宇宙的膨脹和暗能量的存在,即使我們以光速離開,97%的可觀測宇宙已經無法到達。
我們可見宇宙的大小(黃色),以及我們可以到達的位置(洋紅色)。
因此,920億光年對於一個138億年的宇宙來說似乎是一個很大的數字,但它是我們今天所擁有的宇宙的正確數字,充滿物質,輻射,暗能量,並遵循廣義相對論的定律。宇宙本身正在膨脹,新的空間不斷地在宇宙中被束縛的星系、羣體和星團之間產生,這就是宇宙如何變得和我們的眼睛一樣大。考慮到它是什麼,支配它的是什麼,它是怎樣產生的,它不可能有任何其他的方式。
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