宇宙和可观测宇宙
实际上,宇宙和可观测宇宙是两回事。不过,它们之间是有关系的,简单来说就是可观测宇宙是宇宙的一部分。那宇宙的年龄和可观测宇宙的直径是如何确定下来的呢?
不过,我们在开始讲述之前,我们得先搞清楚宇宙的定义到底是什么?
简单来说,我们大概可以这么理解,宇宙是所有时间、空间与其包含的内容物所构成的集合。
这个定义有啥用呢?
其实,你会发现,在这个定义中,一个个的事件也被包含在了其中。也就是说,宇宙包含了这个宇宙中所有的事件。这听起来好像是一句废话,实际上并没有那么简单。1905年,爱因斯坦提出了4篇具有开创性的论文。
他在第三篇论文中,统一了时间和空间,认为我们不应该把两者分离开看,应该将其看成一体,也就是时空。而后来,爱因斯坦数学老师闵可夫斯基基于爱因斯坦的理论,提出了一个时空光锥的概念。把事件和时空联系了起来。
通过光锥的相关理论,我们就会发现一个问题,并不是所有的时间,都可以让宇宙所有的人同时看到,其中的约束是光速,如果你距离我们2000亿光年,那你做的一件事情,我要2000亿年后才能看到(当然,如果我还活着的话)。因此,同时性是相对的,同一件事情,不同的人看到它发生的时间也是不同的。
那我们回到宇宙的定义,宇宙是整个宇宙中事件的集合,这就意味着,我们没有办法接受到宇宙中所有事件的信息。只有当光到达了我们这里,我们才能看得到。这其实也就是关于光锥的一句很经典的话:光锥之内即命运。
而我们的可观测宇宙其实就是从宇宙诞生至今,我们理论上所能观测到的最大范围,因此,它只能是宇宙的一部分。
可观测宇宙
那问题就来,可观测宇宙的直径到底是咋样的?
其实,按照目前的理论和观测来看,宇宙并不“纯粹”是光速膨胀的。宇宙起源于一次大爆炸,在爆炸之后,宇宙的空间发生了剧烈的膨胀,从那之后,宇宙开始经历了一段长达90亿年左右的减速膨胀,而之后宇宙空间达到了如今的75%左右,也就是距今45亿年前后,宇宙开始加速膨胀,而促使宇宙加速膨胀的是暗能量。
而我们常说宇宙中存在着一种“超光速”的事件,实际上就是空间的膨胀速度,它其实并不违反相对论的光速不变原理。因此,相对论限制的是信息、物质、能量的传递速度,而不是空间的膨胀速率。而且宇宙的膨胀和我们想象中的那种具有边界在扩张是不同的,宇宙其实是整体在扩大。
我们可以举一个简单的例子,如果有个气球,那你可以在气球上点上小点,这些小点代表星系,而当你把气球最大,你就会发现在,这些“星系”就开始彼此远离,宇宙的膨胀就类似于气球这种类型的膨胀。
而我们观测到的超光速,实际上是距离我们比较远的空间的膨胀,以我们为参考系的。如果宇宙一直都是这样加速膨胀,那我们就永远看不到那边空间中的天体了。
搞清楚了膨胀,我们再来看看,可观测宇宙,就像上文说宇宙在膨胀。所以从宇宙诞生开始,有一些光就开始传播,而此刻它恰好能到达地球,这个距离还要把宇宙的膨胀效应考虑进去,通过简单的计算,我们就能得到这个距离其实是461亿光年。
那你可能纳闷,不是930亿光年么?咋就变成了461*2=922亿光年了?少了8亿光年到底去哪里?
其实多出来的这8亿光年是有道理的,要知道,宇宙在诞生之初就像一锅粒子粥,其中微观粒子互相乱撞,光子也在其中,一直没有办法摆脱。后来到了宇宙诞生了38万年后,宇宙冷却到原子结构可以形成,光子就开始宇宙中穿行。因此,我们其实看不到的不是138亿年前宇宙一诞生就开始穿行于的宇宙,而是少了38万年。
那这38万年对我们来说就是盲区了么?实际上并不是,虽然利用光是没办法看到。可是我们开发了一项全新的观测手段,那就是引力波。原初引力波指的就是宇宙诞生时产生的引力波,这在理论上是有可能被我们观测到的,因此也要把引力波也考虑进行,通过理论计算,就会发现,这段对应的就是8光年的直径,因此,做一个简单的加法,我们就可以得到可观测宇宙直径930亿光年的结果了。