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可观测宇宙有多大?
可观测宇宙有多大?
来源:casihep | 12/16/2016 7:59:24 AM | 浏览:696 | 评论:0

 

The history of cosmology shows that in every age devout people believe that they have at last discovered the true nature of the Universe.

—— E. R. Harrison(1981)


【宇宙的大小】


光速是宇宙中最重要也最基本的一个性质,它被应用在各个方面,比如距离测量、通讯以及出现在各种公式之中。在真空中,光的传播速度等于299,792,458米每秒,光是体验不到时间的流逝的,而且光速是不变的。简单来说,在宇宙中没有任何物体可以运动的比光还快。


但如果是这样,当我们说宇宙的年龄是138亿年的时候难道它的大小不也应该是138亿光年吗?有许多人对此感到困惑。根据今年八月份的一项最新计算,宇宙的大小要要比先前认为的在各个方向缩水3.2亿光年,但它的半径依然达到453.4亿光年。而这仅仅是我们可以看到的宇宙,我们看不见的部分或许有无限那么大。


可观测宇宙有多大?
可观测宇宙(Observable Universe)的大小,我们无法知道不可观测部分的大小。


如果宇宙的年龄只有138亿年,并且没有任何东西可以运动的光速快,那么453.4亿光年的大小是怎么计算出来的?


【理解红移】


在你理解为什么宇宙的大小要比年龄大那么多之前,我们首先需要了解的是光是如何运作的。


第一个真正理解什么是光的科学家是牛顿,虽然更多人知道的是他提出了万有引力和发明了微积分。当一束白光(来自太阳火其它恒星)穿过棱镜的时候,我们会看到它被分解成不同颜色(不同波长)的光。这个简单的原理使我们能够观测来自遥远的星光,并且通过光谱,我们就可以知道关于恒星的许多信息,比如恒星的成分和温度等。


可观测宇宙有多大?

对光更详尽的讨论可阅读《上帝说:“要有光”,就有了光。那么光究竟是什么?》


1842年,奥地利物理学家多普勒发现了所谓的多普勒效应。该效应解释了为什么来自遥远的星光有些偏向电磁波谱中的红色端,而有些则偏向蓝色端。


可观测宇宙有多大?
上:实验室中的光谱;中:红移;下:蓝移。(© NASA)

简单来说,根据多普勒效,当我们接收到来自遥远的星光时,我们可以知道辐射源是朝向我们运动的或者是远离我们运动的。更精确的说,如果物体远离观测者,那么光波会被拉长,因此看起来偏红色(波长较长,能量较低)。如果物体朝着观测者运动,光波就会被压缩,因此显得更蓝(波长较短,能量较高)。


可观测宇宙有多大?

遥远星系的吸收光谱。(© Chano Birkelind)


随着天文观测技术的不断发展,天文学家发现遥远星系辐射出的波长都发生红移(因为它们正远离我们)。但这些星系不仅在远离我们,而且它们的红移在增加,意味着它们远离我们的速度越来越快。这就是哈勃定律。


这使我们相信宇宙并不是静止不动的,而是正在膨胀!


可观测宇宙有多大?
哈勃定律,来自遥远星系光线的红移与它们的距离成正比。左边是哈勃的原始数据,右边室现在的观测数据。相比之下,结果的不确定性大大减少。(© Liverpool John Moores University)


【理解宇宙的膨胀】


对红移的观测显示相对于一个附近的星系,如果一个物体离它三倍远,它远离的速度也快三倍。也就是说我们看的越远就会发现星系远离我们的速度越快,快到足以超越光速。但是,我们之前说了,光速是宇宙中速度的极限。所以这怎么可能?


可观测宇宙有多大?

随着宇宙膨胀,星系间的距离越来越大。(© James N. Imamura of U. of Oregon)


首先我们要记住,虽然我们所能观测到的宇宙有一个边缘,但是真正的宇宙大小要远超过我们所能理解的。


这个边缘称之为“可观测宇宙”。可观测宇宙包含了数量惊人的超星系团、星系群、超大星系、矮星系以及恒星和行星。如果所有的这些被挤进一个138亿光年大小宇宙,那可能会显得有点拥挤。对可观测宇宙的一个常见误解就是认为它的大小应该是年龄乘以光年。


为了更好的理解宇宙的膨胀,我来简单举个例子。先看下图:


可观测宇宙有多大?
宇宙膨胀。(© Astronomy Magazine 2007)


在图中,可以看到有一些星系团,由于宇宙的膨胀它们之间相互远离。想象一下我们在星系团的中间,我们对左下角的星系团进行观测。当光从左下角的星系团中离开时(左边图),星系团离我们的距离大约为8700万光年。光开始向我们传播,但是记住,宇宙正在膨胀。这意味着我们和星系团之间的距离正在变大。光持续向我们传播,但是由于距离不断的增加,光到达我们时所传播的距离要比8700万光年更大。当光终于到达的时候(右边图),星系团已经距离1.73亿光年远!


因此关键问题在于:光究竟传播了多远?最简单的答案自然是大于8700万光年,但小于1.73亿光年!


现在,我们可以把这个情况应用到整个宇宙之中。


可观测宇宙有多大?

暴胀模型。(© Nature Magazine)


在约138亿年前,宇宙“突然”出现,在一个极其短暂的时间内经历空间以超越光的速度膨胀,这个时期称为暴胀(Inflation)。宇宙从一个非常炽热和致密的状态,转变成广袤的空间,并且产生了各种各样的能量来源:辐射(比如光子),物质(像质子、中子和电子)和空间的内在能(暗能量)。如果在膨胀的宇宙中只充满了其中的一种能量类型,当你询问一个物体发出来的光到达我们时那个物体究竟有多远,我们会得到三个不同的答案。比如,如果宇宙在任何时候都是由物质主导,那么光在经历138亿年传播到我们的时候,宇宙的大小为414亿光年。但真实的宇宙中其实混合了这三种能量,而且会随着时间改变。


可观测宇宙有多大?
在不同的时间,宇宙被不同形式的能量主导。(© Ethan Siegel)


在最初的时候,宇宙由辐射(以光和中微子的形式)统治。在那之后,物质(普通和暗物质)开始接管,并持续了几十亿年。直到后来,在太阳系和地球形成之后,暗能量才成为了主导势力。要记住,在约138亿年前,我们整个可观测宇宙要比今天的太阳系还小!


可观测宇宙有多大?
不同时期宇宙的大小。横轴代表宇宙的年龄(单位为年),纵轴代表宇宙的大小(单位为光年)。最后宇宙突然变的越来越大是由于暗能量的作用。(© Ethan Siegel)


总结来说,广义相对论告诉我们空间、时间和宇宙中所有的物质和能量之间的关系,这就意味着如果我们能够知道宇宙中都有些什么,以及如果我们能够正确的测量宇宙是如何膨胀的,我们就可以知道宇宙在过去、将来的任何时刻有多大。




其实,大多数人对可观测宇宙的大小会感到困惑是因为对相对论的错误理解。根据相对论,一个物体在时空中相对于某个参照物无法运动的比光速还快。但是,它没有限定空间本身不能够超光速膨胀。因此,空间的大小跟基本物理学并没有任何冲突。这是因为星系自身(以及任何在空间中的物体)并没有违反物理定律,因为它们并没有超光速在空间中运动。而是空间——即在星系、恒星、行星、你和我之间的区域——的每个部分都在不断地膨胀和拉伸。

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