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从古至今,对宇宙万物充满好奇的人类最爱问的问题之一就是“我在哪里”、“我们所生活的这个世界到底有多大”。

虽然在科学技术有限的年代,东西方人类文明都不得不通过神话来解读神秘的苍穹宇宙。但近几十年,随着一些充满智慧的先驱人类的不断探究,关于宇宙究竟有多大,这个问题的答案也渐渐清晰起来。

宇宙直径为什么能达到930亿光年(宇宙有多大科研人员)(1)

但依然让很多天文爱好者感到困惑的是:我们时常看到科研人员对于宇宙年龄的认定是138.2亿年,却又说目前人类的可观测宇宙直径高达930亿光年。

这就意味着,如果说宇宙诞生时期的第一束光,自138.2亿年前出现时起就着一条直线无限向前狂奔,它花了138.2亿年的时间却跑出465亿光年的距离。这到底是怎么回事呢?

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宇宙静止理论与宇宙膨胀学说

如果要探讨宇宙年龄和可观测宇宙直径距离不一致之谜,我们首先要面对的就是“宇宙静止与宇宙膨胀”之间的争论。

在二十世纪三十年代以前,人们普遍认为宇宙中的天体虽然遵循着“万有引力”的规律相对运动变化着,但整体而言宇宙的总体规模是静止不变的。宇宙是一个静止的有限但是无边界的空间。

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1916年爱因斯坦在提出狭义相对论之后又提出了人类历史上具有划时代意义的“广义相对论”理论,并在随后一年,在广义相对论理论基础上提出了用来描述宇宙的场方程。

只是在最初计算场方程的时候,爱因斯坦发现了一个奇怪的结论,宇宙怎么会是在膨胀的呢?为了让这个方程得出符合当时观念的结论,诞生了“宇宙常数”。

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显然,如果说宇宙确实如牛顿和爱因斯坦这样的大咖所说是“静止不变的”同时根据爱因斯坦的相对论任何物质都不可能超过光速,只有138亿年的宇宙就跟人们所疑问的一样不应该长到465亿光年那么大。

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如果有人问伟大的爱因斯坦是不是也会犯错误,那么一定就会有人拿出著名的“宇宙常数”来举例。熟悉爱因斯坦的人都知道,宇宙常数算是爱因斯坦提出广义相对论以后,亲自承认的一个“错误”。

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当然在二十世纪三十年代,人们还并没有最终测算出宇宙的年龄和可视宇宙的直径,当时的天文物理学家们通过其他角度来思考了宇宙的状态。

首先是英国的科学家爱丁顿提出了疑问,如果宇宙是静止的,但宇宙万物之间又是存在万有引力的。

如果这个静止的宇宙中出现一点点变化,让两个天体或者物体之间的距离近了一点点,那么引力就会随着距离拉近而增加,整个宇宙的平衡就难以保持。反过来,如果这一点点变化是让两个物体之间的距离增加了一点点,那么是不是又意味着宇宙会不断的膨胀下去?

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慢慢的,有一部分科学家面对神秘莫测难以理解的“宇宙常数”对宇宙静止理论提出了异议,他们认为宇宙是变化的,但宇宙究竟是不断收缩的还是不断膨胀的还存在一定的争论。

但是这个争论并没有持续很久,因为几年后,天文史上的另一个大咖“哈勃”横空出世,并带来了他的惊人发现。

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在爱丁顿之后也陆续有科学家提出了宇宙膨胀的假说和模型,有一位叫梅勒特的科学家在爱因斯坦广义相对论的场方程里取了一个特殊的宇宙常数,在这个特殊的宇宙常数下他得出了宇宙是膨胀的模型。

梅勒特由于名气太小,他提出的观点差一点就埋没于历史长河里了。但碰巧的是,在梅勒特提出宇宙膨胀模型的第二年,一位叫做哈勃的天文观测学家发现了一个有意思的事情。

经过长期对远距离的银河系以外星系的观察,哈勃发现,大多数远距离的星系都出现了“红移现象”。

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这里对于“红移现象”我们也可以做一个简单的了解,经过科学家的研究如果一个星系在被我们观测到之后,又在逐渐远离,那么我们接收到的来自这个星系的电磁波波段就会不断拉长,进入红外线波段,也称之为“红移现象”。相反,如果被观星系跟观测者越来越近则会发生“蓝移现象”。

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刚开始哈勃也并没有发现这样的“红移现象”具体能说明什么,因为宇宙中的星系毕竟是在万有引力的规律下相互吸引运动的,有一些星系远离,有一些星系拉近也属于正常现象。

但是随着观测数据的不断收集,哈勃发现几乎所有星系都是在均匀的远离,这样刚好印证了梅勒特提出的宇宙膨胀模型。

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在哈勃-梅勒特定律正式被公布之后,爱因斯坦对于自己提出的场方程也及时重做了修正。二十世纪三十年到开始,爱因斯坦研究宇宙时也不再使用那个额外加入的“宇宙常数”。

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梅勒特的宇宙膨胀假设成立之后,同时也提出了宇宙由一个“宇宙蛋”大爆炸而形成,并且提出如果大爆炸模型成立的话,在宇宙中应该还留有一种充满着宇宙的微波背景,不论人们从哪个角度去观测都应该能收到这样的微波噪音,人们称之为宇宙微波背景辐射。

1964年,随着射电技术的成熟,美国科学家发现了这种宇宙微波噪音,给宇宙大爆炸理论一个有力的支持。

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在确定了宇宙是膨胀的之后,人们的下一个议题就是宇宙是以一个什么样的速度膨胀的呢?加速膨胀或者减速膨胀?

1998年,美国和澳大利亚两个科研小组对宇宙中的超过50颗Ia超新星的观察,证实了宇宙正在加速膨胀的事实。

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同时,人们认为宇宙中存在一种“暗能量”,这种能量虽然我们知之甚少,但就是这种能量的存在驱使着宇宙至今还在加速膨胀着。这一伟大的发现获得了2011年的诺贝尔奖,为人类揭开宇宙之谜又打开了全新的时代。

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宇宙年龄的确定

关于宇宙年龄的确定其实也是跟随着宇宙加速膨胀理论逐渐开始研究的,在早期,人们认为宇宙是静止的恒定的,对于永恒静止的宇宙来说关注它的年龄是没有意义的。

但是,到了十九世纪三十年代以后,在宇宙膨胀学说中有一个很重要的假设那就是宇宙的起源是一次大爆炸。既然有起源并且还在不断变化,那么“宇宙的年龄”就有了概念。

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科学家们应该通过什么来确定宇宙的年龄呢?科学家们认为,直接找到宇宙起源难度太大了,只能通过其他方式来反推。比如宇宙在诞生之后会以一定的速度冷却,因此,可以通过测量宇宙现在的温度,再结合其他综合因素考虑反向来推断宇宙的神秘年龄。

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原本这个理论也难以实施,但在二十世纪六十年代,随着两位美国科学家在探索宇宙奥秘时,发现总是有一个去除不掉的噪音。

他们想尽了各种办法,甚至清理了接收天线上的鸽子粪便,这种噪音依然稳定的存在。后来才发现,原来这个噪音不仅不会带来恼人的干扰,还会给人们带来真正的惊喜,原来它就是神秘莫测的“宇宙微波背景辐射”。

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在科研人员的眼中,宇宙微波背景辐射就是他们用来反推宇宙年龄的钥匙,经过对宇宙微波背景辐射的仔细研究,再结合宇宙膨胀等各种因素,2013年人类终于第一次自信的宣布我们的宇宙已经有138.2亿高龄。

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可观测宇宙直径的推测

我们已经知道了宇宙年龄有多大了,现在人们又想探究的问题就是宇宙空间距离到底有多大呢?在这里,人们创造“可观测宇宙”的概念,也就是我们人类以地球为中心,可以观测得到的宇宙,并不意味着科学家们认为我们目前所观测到的就是宇宙的边缘。这只不过是我们人类观测的极限。

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很多人对于“光年”这个在宇宙学说中经常使用的单位还不是特别清楚,其实光年是一个距离单位。

比如,如果我们说一个天体离我们10亿光年,10亿光年指的是一个距离。而理论上我们此刻看到的光就是这个天体10亿年前所发出的。但这是在不考虑哈勃常数,也就是宇宙加速膨胀的情况下。

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如果我们引入哈勃常数,根据科学家们的仔细测算,宇宙中的天体们如果以地球为中心观测,它们远离地球的加速度也是平均可测的。

因此,在目前我们可观测到的最古老的光是来自138亿年以前,再加上哈勃常数等等各个影响因素的计算,这个以地球为中心的围绕着我们的神秘宇宙直径达930亿光年。

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综上所述,138亿年是人类目前测定的宇宙的年龄,这是一个时间概念。

而由于宇宙是在不断加速膨胀的,因此,结合哈勃定律以我们能观测到的最古老的光,反推出可观测宇宙的直径为930亿光年。跟之前不一样这是一个距离概念。因此,两个结论并不矛盾。

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