一直以来有一个问题困扰着大家，宇宙的年龄据说是138.2亿年，姑且我们信之！但又有说可观测宇宙的半径高达465亿光年，事实上这个问题并不简单，我们需要对各个方面分解出来理解。
宇宙膨胀的发现
在可观测宇宙的话题中，首当其冲的问题就是宇宙膨胀是怎么发现的，我们必须简单交代下这个问题：
宇宙大小和年龄的猜测
首先对宇宙大小作出猜测的布鲁诺，他认为宇宙是无限的，为什么说他是猜测呢，因为是他认为，而他没有任何证据。
然后牛顿则以万有引力的角度科学的分析了宇宙是无限的，他分析的理由基于：如果宇宙是一个有限的空间，那么星星之间的相互引力会将宇宙缩小的一个很小的区域，因此牛顿认为宇宙是无限的。
后来一位叫做奥伯斯的科学家认为宇宙肯定有一个起始点，因为庞大的宇宙加上无数的星星，如果宇宙存在无限久时间，那么这些无限的光线到达地球，会将地球夜间也变成白昼，但地球仍然存在晚上，所以宇宙必定有一个时间开端。
宇宙大小和年龄的实质性进展
爱因斯坦在1905年以光速不变和下一相对性原理为基础总结了麦克斯韦和洛仑兹以及庞加莱等前人的成就，推出了狭义相对论，当然还有未来能解释物质来源的质能等价方程。
在1916年爱因斯坦将狭义相对论推广到了任意速度下，推出了光相对论，可能爱因斯坦当时并不知道，广义相对论中甚至包含到了宇宙的过去和未来，因为广相的引力场公式是一个二阶非线性偏微分方程，结果会随着各项参数的变化而变化，同样它的尺度可以扩展到整个宇宙，因此这是一个金矿，很多科学家都从中挖掘到了自己所需，当然我们只介绍宇宙起源相关。
弗里德曼以宇宙物质分布均匀为前提，从引力场方程中推导出了宇宙的形状，他发现在大部分情况下宇宙都是膨胀的，勒梅特以相同的假设得到了同样的结果，他们认为宇宙是动态和膨胀的。
哈勃则观测到了遥远的宇宙正在加速离去从而揭示了一个事实，宇宙可能是很久以前从一个很小的区域内膨胀而来，宇宙大爆炸说开始被天文界反复提及。
伽莫夫则为此推导出了从很小的区域内膨胀时的原初核聚变过程，他的同事则推导出这个膨胀后形成的余晖也就是宇宙微波背景辐射。当然1964年宇宙微波背景辐射被发现，而随着射电望远镜分辨率的提高，对原初物质丰度的观测证明了原初核聚变理论的正确性。
宇宙诞生于很久以前的一场大爆炸！
光是宇宙中最快的速度，为什么138.2亿年的时间膨胀出了465亿光年的半径？
解决了宇宙来自于一场爆炸的问题，我们来讨论下为什么宇宙为什么会超光速膨胀！狭义相对论有两个前提，一是光速不变，二是狭义相对性原理。而光速也不可超越，这就将超光速封死了，为什么宇宙膨胀还能超过光速？因为138.2亿年即使按光速膨胀也只能跑出276.4亿光年，怎么可能会到465亿光年呢？
其实光速不可超越指得是信息传递不可超过光速，即包含信息、能量与物质，而空间膨胀并不在此限制内，它无法传递任何信息，而对微波背景辐射观测发现的各向同性表明宇宙在很久以前它们曾经发生过信息传递，而现在相隔930亿光年的两个点之间不可能发生信息传递。
可观测宇宙是什么意思？
上文我们说明宇宙的半径高达465亿光年，而光速都达不到这个速度，这是因为宇宙在诞生之初经历了一次暴胀，正是这次暴胀使得宇宙的膨胀远超宇宙中最快的速度光速，这使得观测到的宇宙分成了三层。
当前观测到的星系距离极限
2016年3月3日哈勃望远镜观测到了一个红移高达11的星系，根据宇宙膨胀速度计算，这个星系位于宇宙诞生约四亿年以后，对应的时间与光速关系是134亿光年，实际已经位于330亿光年以外。
因为经过134亿年的膨胀，它不可能在原地等着各位来围观！
可见光（微波）观测极限
可见光的极限就比较有意思了，其实我们现在看到的微波背景辐射就是可见光极限，这是大爆炸产生的余晖，此时是宇宙诞生38万年的时，宇宙从炽热的物质冷却到可以让原子核捕获电子的温度，使得宇宙从一片等离子状态脱离成物质，光子得以脱离束缚在宇宙中自由辐射，但宇宙的高速膨胀将这些光子的频率从高频位移到了低频，相当于黑体在3K时候发出的辐射频率接近。在微波背景辐射之前，我们将观测不到任何光子！
不过在微波背景辐之后还有一个黑暗时代，因为此时尚未诞生恒星，宇宙中一片黑暗，之后才是恒星时代和星系时代，而现代可见光观测极限的GN-Z11就是第一批星系时代，微波背景辐射就是可见光观测极限。
可观测极限
可观测的极限是现代人类的技术能触碰到的最久远距离，可见光只能到达微波背景辐射，但还有中微子观测，可以直达大爆炸以后1秒，此时中微子脱耦，因此中微子观测大有前途！
但引力波观测更有前途，因为从第一个普朗克时间一过，引力就被释放出来了，理论上看引力波探测可以直达大爆炸的第一刻，但我们要了解下的是这个波长可能是极其恐怖的，比如：
一颗超新星爆炸产生的引力波一般为300公里
黑洞构成的双星系统产生的引力波为30万公里
宇宙大爆炸产生引力波波长可达30亿光年
如何观测波长长达30亿光年的引力波？2015年底观测到的双黑洞引力波，产生的波长比较短，因此LIGO才能探测到这个遥远黑洞合并产生的引力波，而黑洞构成的引力波波长高达30万千米，这个探测天线的规模就是天文级别的规模了，而宇宙大爆炸的引力波，也许要银河系级别的引力波干涉天线来探测，
宇宙历史只有138亿年，为什么可观测宇宙的半径465亿光年？
我们能够看到几亿年前的星系，但无法看到一秒前的地球，主要是因为光的传播速度和观察角度的限制。
1. 光的传播速度和时间延迟
光速有限：光在真空中的传播速度是每秒约30万公里（即光速，c = 3 × 10^8 m/s）。尽管光速极快，但在宇宙尺度上，距离往往是数百万至数十亿光年，光从星系发出并到达地球需要经历非常长的时间。
看到的是“过去的光”：当我们通过望远镜观察遥远星系时，其实是在看到这些星系发出光到达地球所需要的时间。比如，距离地球1亿光年的星系，其光到达地球需要1亿年，因此我们现在看到的这个星系是1亿年前的样子。星系的光携带着它在几亿年前的影像信息，所以我们在天文观测中看到的是“过去的宇宙”。
2. 宇宙与地球观察的角度
观测远处的星系：
远处的星系发出的光经过几亿年的传播，最终到达地球，因此我们可以观测到它们几亿年前的状态。这种现象类似于穿越时间的窗口，让我们能看到宇宙的历史。
这些光从星系中发出时，就一直以光速传播，通过哈勃太空望远镜等设备捕捉这些远古光，我们可以得到宇宙的历史图景。
观测地球的难点：
地球的表面和我们所在的地面很难以类似的方式进行“时光观测”。原因是：要看到“一秒前的地球”，意味着需要“离开地球”并使光离开地球再反射回来看地球的表面，但这对人类来说实际上是不可行的，因为需要非常短暂的光延迟和“反射”的安排。
例如，如果想观察“一秒前的地球”，那么在一秒内光能够传播的距离约为30万公里，也就是需要有一个在30万公里之外的观测者来捕捉地球表面的光，并将它反射回来。然而，这种观测方式需要设备离开地球很远，而且我们无法随时调整位置来完成这样的实时观测。
3. 地球观测的局限性
光反射的不可行性：在日常生活中，我们的观察受到光的传播方式的限制。要看到地球过去的状态，需要从地球表面反射到一个足够远的反射器上，再返回到地球，整个过程需要两次光的传播时间。因此，如果我们要看到“一秒前的地球”，光必须从地球表面反射到距离地球15万公里的地方，再返回地球——这意味着需要找到合适的反射点和时间延迟，这在技术上目前无法实现。
缺乏适合的视角：我们日常观察地球时，是直接用肉眼看到反射自周围物体的光，这些光线的传播距离非常短，以至于我们看到的是“实时”情况，即我们与周围环境之间光传播所需的时间几乎是瞬间完成的，没有任何显著的延迟。
4. 远近物体的时间效应差异
远处星系的光经过漫长的时间才能到达：在宇宙的宏观尺度上，星系之间的距离极为遥远，即便光速非常快，也需要几百万年甚至几十亿年才能抵达我们。因此我们看到的这些星系，就是它们在几百万年前或者几亿年前的状态。
地球上的观察几乎没有延迟：而在地球表面，光在我们和周围物体之间的传播速度快得难以察觉。例如，光从你周围的墙壁反射到你的眼睛上所花的时间大约是几纳秒（10^-9秒），因此我们看到的都是“实时”的画面，而不是“过去”的影像。与观测遥远星系不同，地球上的距离太短，光传播的时间几乎没有延迟，不能用相同的方式“观察过去”。
5. 理论上的“地球的过去”观测方法
反射的概念：如果理论上可以在一个足够远的距离上放置一面巨大的镜子，那么地球发出的光可以反射回来，从而看到地球在过去的状态。例如，假设在1光秒（约30万公里）外放置一面镜子，光到达镜子再反射回来的时间为2秒，我们可以看到地球1秒前的状态。然而，这种安排在实际操作中极为复杂且不可行，主要是因为放置反射镜和回收光的难度。
月球反射器：阿波罗任务在月球上放置了一些反射器，用于测量地球和月球之间的距离，但即便如此，光从地球到月球的往返时间也只有约2.5秒，这只能让我们看到地球和月球之间的微小时间延迟，无法实现“时光倒流”式的观测。
通过观测宇宙中远处的星系，我们能够看到宇宙的过去，了解它的演化历史，而对地球这样的近距离观测，由于光速相对来说是瞬时的，我们看到的只能是实时画面，而不是“过去”的样子。
宇宙到底有多大？
关于“宇宙到底有多大？”这个问题，客观地说，人类可能永远无法知道正确的答案。为什么这么说呢？这其实需要从古代说起。
其实不同的古代文明，都不同程度地发展出了天文学。中国在近代以前，具有全世界最详尽的天文观测数据的文明。天文观测可以帮助人类准确地记录时间，也对古人的哲学理论有十分重要的帮助。
不过，客观地说，古人认为的宇宙大小要远远小于如今人类对于宇宙大小的认知。我们以古希腊为例，古希腊哲学家认为宇宙的大小就是最外层天球的大小，最外层天球上镶嵌着几乎不动的各类天体，地球是宇宙的中心，各个天体都绕着地球转，这其实是很符合我们的主观直觉的，也就是大名鼎鼎的地心说。
后来，我们知道哥白尼提出了日心说。但是这个日心说并没有扩大宇宙的大小，对于宇宙空间大小的认识其实还是处于古希腊的水平。
再后来，牛顿提出了万有引力定律。不过，牛顿也很纠结，这是因为宇宙如果真像古希腊先哲和哥白尼所认为的那样，那根据万有引力定律，宇宙就应该在引力的作用下向中心挤压，最终压成一个点。
问题是，宇宙根本没有发生这样的收缩。因此，这就和牛顿的万有引力定律相矛盾了。在无奈之下，牛顿为了弥补这个缺陷，他就提出宇宙是无限大的观念。如果宇宙是无限大的，那处处都是中心，处处引力都是平衡的，也就不会发生收缩的情况。
牛顿的这个观念听起来好像很有道理，但也有人是不买单的，这个人就是奥伯斯。他就寻思，如果宇宙是无限大的，那意味着宇宙中有无限多的天体，这就意味着有无限多的光源。那地球就应该有黑夜，因为无限多的光将会把地球照亮、
‘
奥伯斯的想法不能说完全没有道理，他确实是基于牛顿的认知提出来的一个观念，也很好地反驳了牛顿“无限大宇宙”的看法。如果我们也把这个叫做奥伯斯佯谬。那奥伯斯佯谬到底哪里出了问题？
可观测宇宙
奥伯斯活跃的年度大概是距今200年前左右。在他之后，有两门科学快速发展，一门是电磁学，一门是宇宙学。这两门学科的发展才让我们明白奥伯斯佯谬的错误。
具体来说是这样的，当时的人们通过理论推导和实验，得到了光速的范围，如今我们也知道，光速大概是3*10^8m/s。也就是说，即便是宇宙中有无数的天体，它们的光照过来，也是需要时间的，而不是瞬间达到的。那么，如果宇宙的永恒的，不随时间的流逝而变化，这就代表光有充足的时间传播到地球上，地球也还是应该没有黑夜。
后来，宇宙大爆炸理论诞生，我们通过测算哈勃常数，可以知道宇宙的年龄大概是138亿年。也就是说，给光传播的时间只有138亿年。
那按照这个看法，我们所能够看到的宇宙大小，其实就应该是一个138亿光年为半径的球体。超出这个球面的天体的光应该还在路上，没有到达地球，我们也把理论上我们能观测的宇宙称为可观测宇宙。那按照这个说法，我们就知道奥伯斯佯谬其实是不成立的，宇宙纵使有无限多的天体，但也并不是所有的光都能传播到地球上，但问题远远没有结束。
我们现在知道，可观测宇宙的半径是465亿光年，而不是138亿光年。那多出来的部分到底是咋来的呢？
上世纪20年代，哈勃在观测银河系外星系时，就发现其中大部分的星系都在远离我们，而且距离我们越远的，远离的速度越快。如果是天体自己在运动，那应该是有的在靠近银河系，有的在远离，而不是应该是这样的规律。因此，只有一个解释，那就是宇宙正在发生膨胀。
后来，科学家基于爱因斯坦的广义相对论，哈勃的发现以及量子力学建立了一套标准宇宙模型，地基就是宇宙大爆炸理论。他们还预言了两个关键证据，结果也都被找到了。于是宇宙大爆炸理论也逐渐被学术界所接受。
根据宇宙大爆炸理论，我们知道，宇宙诞生于138亿年前，随后开始发生剧烈的膨胀。因此，我们在考虑光是否能够达到地球时，也需要把膨胀的效应带入进去。
如果带进去一计算，我们就会发现，可观测宇宙的半径可以达到461亿光年。那这其实距离465亿光年还是差了4光年。那这4光年又是咋来的呢？
其实上文我们一直都在说电磁波，或者说光的传播。但实际上，宇宙大爆炸之后，宇宙中充满了粒子，光子也被挤在其中，没有办法开始传播，这个情况一直持续到宇宙大爆炸后38万年。因此，461亿年的结果是按照宇宙大爆炸之后38万年，光子可以开始传播算起的，最早的38万年并没有计算在内。
可是我们其实可以利用引力波和中微子来观测这段时间的宇宙历史，因此，可观测宇宙也应该把这段时间也算上，并且也要考虑膨胀效应。
把上面的因素统统考虑进入后，我们就可以得到可观测宇宙的半径是465亿光年，直径也就是930亿光年了。
真实的宇宙有多大？
可观测宇宙其实不是宇宙，而只是宇宙的一部分，而且是极其小的一部分。那问题来了，真实的宇宙到底有多大呢？
其实我们没有办法直接去测算这个尺度，不仅如此，宇宙其实是处于动态变化的，而不是固定不变的，因此，思考当下宇宙的大小其实意义不大，我们需要把时间因素也考虑进去，这样问题就变得极其复杂。
科学家换了一种方式，从宇宙的形状去思考的，如果宇宙是平坦的，那宇宙就应该是无限大的，如果宇宙是弯曲的，那它有可能是封闭的，也可能是无限大的。
根据如今的观测来看，宇宙在千分之六的精度上是平坦的，也就是说，宇宙可能是无限大的。但这里要多说一句，这个测算的结果其实误差还是比较大的，关于宇宙到底有多大，其实还需要后续更多的探测器所探测到的数据来判断。
本文来自作者[向竹]投稿，不代表鸡脖创新立场，如若转载，请注明出处：https://jcjybjb.com/jb/7016.html
评论列表（4条）
我是鸡脖创新的签约作者“向竹”！
希望本篇文章《为什么能观测到460亿光年外的星系》能对你有所帮助！
本站[鸡脖创新]内容主要涵盖：生活百科,小常识,生活小窍门,知识分享
本文概览：一直以来有一个问题困扰着大家，宇宙的年龄据说是138.2亿年，姑且我们信之！但又有说可观测宇宙的半径高达465亿光年，事实上这个问题并不简单，我们需要对各个方面分解出来理解。宇...