宇宙年龄仅138亿年,但直径却有24万亿光年,为什么超光速?

根据现代宇宙学,宇宙的时间和空间都是创生于138亿年前的奇点。138亿年过去了,宇宙的直径膨胀为930亿光年,膨胀速度为光速的3.37倍,这与相对论所说的光速最快不矛盾吗?宇宙的半径不应该是“宇宙年龄×光速=138亿光年”吗?

事实上,无论是宇宙大爆炸理论,还是相对论,都是科学界广为接受的理论,这两者并不存在冲突。而且宇宙的直径并非930亿光年,也不是138亿光年,而是至少达到24万亿光年。

930亿光年只是可观测宇宙的大小,地球位于这个范围的中心。地心说早就被推翻,地球并不是整个宇宙的中心,因此,以地球为中心的可观测宇宙不会是整个宇宙的大小。

我们在地球上只能观测到半径为465亿光年的宇宙范围,此即为可观测宇宙。整个宇宙要比可观测宇宙大得多,还有很大一部分宇宙是我们目前所无法观测到的。

那么,为什么会有可观测宇宙的概念?为什么可观测宇宙和整个宇宙会那么大?

宇宙膨胀的本质

首先,需要明白宇宙膨胀是怎么回事。在138亿年前,创造宇宙的奇点并不是身处无尽空间中,然后在虚无的空间中不断膨胀。事实上,奇点不在空间中,而是奇点创造出了空间,宇宙诞生前并没有空间。宇宙不是膨胀到空间中,其实是宇宙本身在不断创造出空间,空间是无中生有的。

随着时间的推移,空间自身结构不断扩张,空间中的物质就会被互相分开。这就好比在一个气球表面上有很多蚂蚁,当气球膨胀时,即便蚂蚁不在气球上走动,它们之间也会被互相分开。最初距离越远的蚂蚁,它们互相远离的速度越快,甚至可以超光速。

如果空间中的物体相距足够远,它们之间的空间快速扩张,可以使它们互相远离的速度超过光速。然而,物体本身相对于背景空间的运动速度并不会超光速,相对论所说的光速最快指的是这种局域速度。空间膨胀速度可以任意快,与相对论中的局域速度概念是两码事。

可观测宇宙

宇宙一开始没有自由运动的光子,因为早期宇宙密度极高,光子与带电粒子互相耦合。直到宇宙形成大约38万年后,宇宙的直径膨胀到1亿光年,物质密度变得足够低,光子才能在宇宙中自由传播。

这些光子至今还在整个宇宙中传播,我们在地球上可以接收到它们。只是因为经过漫长的空间膨胀,当年的光子已经衰减为微波——宇宙微波背景辐射。只要能够精确测量出宇宙中最古老光子的时间,也就能知道宇宙的确切年龄。

无论我们沿着何方望向宇宙的尽头,最终只能看到宇宙微波背景辐射。随着空间膨胀,当年那些辐射出这些光子的物质已经退行到距离地球465亿光年的地方,这就是可观测宇宙的尽头。

不可观测宇宙

在宇宙变得透光之时,那些发出第一批光子的物质距离地球诞生前所在位置约为4200万光年,而当时整个宇宙的直径可达1亿光年。由于光速有限,时间有限,宇宙中还有很大一部分的光子还没来得及到达地球,这些地方就成了不可观测宇宙。

随着时间的推移,不可观测宇宙中的一些光子将有足够的时间来到地球上,所以我们的可观测宇宙大小还会变得越来越大。据估计,未来的可观测宇宙直径最大将会扩大为1230亿光年。

然而,天文学家在上个世纪末发现,宇宙膨胀速度正在加快,这意味着宇宙中会有越来越多的地方最终会以超光速远离我们,那里发出的光无论过多长时间都不会到达地球,所以可观测宇宙的大小最终会变得越来越小。经过漫长的时间之后,但本星系群的星系合并成一个星系时,我们将再也无法观测到河外星系。

目前,整个宇宙的大小估计为24万亿光年,这是空间经过138亿年膨胀的结果,宇宙整体的膨胀速度可达光速的870倍。不过,这个膨胀速度其实要远远慢于宇宙最初时刻的空间暴胀速度。

宇宙的未来

宇宙在诞生仅10^-35秒时经历了一次空间暴胀,宇宙大小呈指数式地扩张。如果宇宙的大小在暴胀之前犹如一个乒乓球,那么,在经过10^-33秒的空间暴胀之后,宇宙的半径将会扩大为2.1亿光年。

从目前的情况来看,宇宙被暗能量所主宰,其占比可达宇宙质能总量的68%。这种空间的固有能量会起到排斥引力的作用,它们正在推动空间加速膨胀。在暗能量的驱使下,整个宇宙还会快速扩张。如果宇宙没有足够的引力来对抗暗能量,整个宇宙将会无限膨胀下去。