宇宙年龄138亿年

Question

如题所述

Answer 1

关于宇宙的起源，宇宙大爆炸理论是当前最广泛接受的一个理论，该理论认为宇宙诞生于138亿年前的一个巨大的爆炸。如果我们将光速视为宇宙膨胀的速度，那么我们能够观测到的宇宙大小应该是一个半径为138亿光年的球体。然而，根据现有的科学理论，经过一系列的计算和观测，目前宇宙的可观测部分大约有930亿光年直径。这里的光年是一个距离单位，表示光在真空中传播了一年所经过的距离。光速是宇宙中物质运动的最快速度，而宇宙的年龄是138亿年，可观测部分的直径是930亿光年，这看起来似乎有些矛盾。
宇宙的年龄和大小，目前关于宇宙演化的主流观点是宇宙大爆炸理论，该理论认为宇宙从一个极度热密的奇点开始膨胀。在1916年，爱因斯坦提出了广义相对论，并通过该理论的场方程研究了宇宙的演化，发现宇宙并非处于一个静止不变的状态，而是在不断变化和膨胀中。这一发现与当时的主流观点相悖，但爱因斯坦最终接受了这一理论，并在其场方程中引入了宇宙学常数以维持一个稳态宇宙的观点。直到1929年，美国天文学家爱德温·哈勃通过观测发现，大多数河外星系都在远离我们，这是宇宙大爆炸理论的第一个直接证据。此外，宇宙背景微波辐射的发现也进一步证实了宇宙大爆炸理论。
我们如果设想宇宙一直在膨胀，那么我们可以逆向追溯时间，在宇宙的最初阶段，所有物质都集中在一个非常小的区域内。因此，宇宙的年龄可以通过宇宙大爆炸留下的各种证据来计算，如星系退行速度、微波背景辐射和原初核素的丰度等。天文学家哈勃提出了哈勃定律，其中的哈勃常数是天文学中一个极其重要的参数，其倒数被称为“哈勃年龄”，指的是宇宙以一定的均匀速率膨胀到现在的时长。然而，宇宙的膨胀速度并非始终如一，因此“哈勃年龄”只能作为宇宙年龄的一个近似值，或者说是一个上限。根据Λ-CDM模型，我们可以精确计算出宇宙的年龄为138.2亿年。
关于可观测宇宙的大小，目前我们计算出的可观测宇宙直径为930亿光年。可能有人会对此感到困惑，因为宇宙的年龄只有大约138亿年。我们需要理解“可观测宇宙”的概念：它是以观测者为中心的一个球体空间，包括从地球上观测到的所有物质。这些物质发出的电磁辐射有足够的时间到达地球。因此，可观测宇宙的直径为930亿光年，指的是目前人类可以观测到的宇宙范围，即以地球为中心的、半径为465光年的球体范围。这并不意味着宇宙的真实范围就是如此，只是距离我们465亿光年远的星系的光刚刚到达地球。随着宇宙年龄的增长，可观测宇宙的直径也会增大。根据目前的宇宙年龄，我们可以计算出可观测宇宙的直径为930亿光年。
关于宇宙的超光速膨胀，虽然在爱因斯坦的狭义相对论中规定光速不可超越，但在宇宙学中，宇宙的膨胀速度被认为在某些情况下超过了光速。在宇宙大爆炸之后，宇宙并非立即达到现在的状态，而是经过了一段迅速膨胀的时期。1927年，物理学家埃德温·勒梅特从广义相对论中的弗里德曼方程推导出了宇宙膨胀的理论，这一理论后来被哈勃的观测所证实。哈勃通过分析星系的光谱发现，大多数星系都显示出红移，这表明它们正在远离我们。根据多普勒效应，星系的远离速度与它们与我们的距离成正比，这就是著名的哈勃定律。根据哈勃定律测量出的宇宙膨胀速率，即哈勃常数，其值为67.80±0.77(km/s)/Mpc。这个值表示的是宇宙中星系远离我们的速度，相当于每远326万光年，速度就增加67.8公里/秒，误差范围为0.77公里/秒。据此计算，距离我们465亿光年的星系的远离速度达到每秒96.7万公里，超过了光速。因此，宇宙在某些区域的膨胀速度超过了光速，但这并不违反相对论，因为相对论所限制的是物质和信息的传递速度，而宇宙的膨胀是一种空间性质的扩展。
总结来说，宇宙的年龄为138亿年，而宇宙在膨胀过程中某些区域的速率超过了光速，因此宇宙的半径在138亿年的时间里膨胀了465亿光年。可观测宇宙的直径为930亿光年，实际上是由宇宙空间的超光速膨胀引起的，这并不与光速不可超越的原则相矛盾。