为什么可观测宇宙的直径是930亿光年?

宇宙一词在古籍中的含义是“古往今来所以时间和空间的集合”,而现代科学中的宇宙,大体上也是这个意思

20世纪20年代,在威尔逊山天文台工作的美国天文学家埃德温.哈勃,利用当时世界上最强大的胡克天文望远镜,拍下了仙女座的照片,而后又通过照片中的造父变星,确定了仙女座是一个位于银河系之外的,和银河系一样拥有海量恒星的星系。

哈勃的这一发现,让人类知道了宇宙空间中存在大量星系,而不只是银河系这一个星系,于是乎以往的“银河系孤岛模型”破产了,天文学也出现了名为“星系天文学”的新分支,埃德温.哈勃就是星系天文学之父。

哈勃除了发现河外星系,还测定了河外星系的光谱数据,并且在光谱数据中发现,除了仙女座星系光谱蓝移,其余的星系光谱都在朝红色端移动,这意味着仙女座星系在靠近银河系,而其他星系在远离银河系。

由于可见光也是电磁波,因此它和声波一样也遵循多普勒效应,而根据多普勒效应,光源在远离观察者的时候,观察者接受到的光源,光谱线就会向红色端移动,反之如果光源靠近观察者,光谱线就会向蓝色(紫色)端移动。

那么是什么原因导致了,绝大部分星系都在远离地球呢?

当时的主流宇宙学理论并不能给出答案,因为当时的主流理论认为宇宙是静态的,甚至连爱因斯坦,都在早期广义相对论引力场方程中,添加了“宇宙常数”项,来保证宇宙的稳恒态(爱因斯坦在听说哈勃发现宇宙膨胀后,马上就把宇宙常数删了)真正给出答案的,是当时并不被认真对待的“宇宙大爆炸理论”

大爆炸理论认为,我们的宇宙是在一次大爆炸中诞生的,因此宇宙时空绝不是静止的,应该是膨胀的才对,所以哈勃才会发现星系都在远离地球,至于仙女座星系为何接近地球,大爆炸理论给出的答案是“仙女座星系距离地球太近了,宇宙膨胀之力在这种百万光年都尺度上,比不上两个星系施加给彼此的引力,所以仙女座星系才会靠近银河系”

对宇宙学家来说,宇宙的超光速膨胀无疑是最具颠覆性的科学发现,但对于天文学家来说,宇宙膨胀并不是什么好事

因为早在19世纪,物理学家麦克斯韦就证明了,可见光属于电磁波,并且电磁波的速度等于真空光速,20世纪初,爱因斯坦的狭义相对论又提出了“光速不变且不可被超越”

“光速不可被超越”,意味着光速就是宇宙中信息传递速度的上限,因此河外星系不论远近,它们发出的光都只能以每秒三十万公里的的“龟速”,在动辄几百万光年,数亿光年的宇宙中飞行。

“可观测宇宙”就是在光速不变,和宇宙膨胀超光速的“矛盾”中诞生的

根据最新的哈勃常数67.8km/s/Mpc,空间距离每增加326万光年,空间膨胀速度就会增加67.8km/s,天文学家计算出了,“465亿光年外的星系退行速度超过光速”

这一事实这意味着465亿光年外的星系,发出的光还没飞到地球。所以说可观测宇宙就是一个“以地球为中心,半径465亿光年的球形空间”,这个空间以外的光,还没有来得及飞到地球,所以目前的天文学家只能研究可观测宇宙。

因此现如今天文学的主要矛盾,就是无法打破的光速限制,和同样无法打破的宇宙膨胀超光速之间的矛盾。

那么可观测宇宙之外是什么呢?

现代宇宙学认为,可观测宇宙之外是海量星系构成的“未观测宇宙”,那里的星系分布和构成以及密度,和可观测宇宙内不会有太大区别,因为大爆炸理论的基石之一,就是“各项同性原理”,而这一原理,在哈勃望远镜若干张深场照片中,也都得到了证实。

根据暴涨理论计算出的“全宇宙”,大小从可观测宇宙的250倍,到上百亿倍不等,所以说这些数据看看就好,没什么意义。

事实上就像物理定律在黑洞奇点,大爆炸奇点处失去意义一样,可观测宇宙之外的事,对目前的天文学界,以及人类文明来说也没有什么意义,因为我们永远无法主动去改变,可观测宇宙之外的事物。

值得一提的是,每个智慧文明的可观测宇宙其实都不一样,如果有一个智慧文明,距离地球465亿光年,那么它们的可观测宇宙,就是以它们的母星为中心,半径465亿光年的球形空间,而地球就在这个空间的边缘。

尽管目前的宇宙微波背景辐射图,表明我们的宇宙“十分平坦”(无限延伸的平面),但也有宇宙学家认为现如今微波背景辐射图,只是可观测宇宙内的辐射图,因此它的平坦并不意味“整个宇宙”都十分平坦,四维闭合超球体,和马鞍面,仍是可能存在的宇宙形状。

总结

可观测宇宙有意义也好,未观测宇宙没意义也罢,对目前宇航速度,还达不到千分之一光速的人类文明来说,其实都没什么“现实意义”,在可以预见的未来,人类文明仍将处于并且长期处于太阳系时代、