科學家是怎麼算出可觀測宇宙的直徑是930億光年?

鍾銘聊科學 發佈 2020-04-26T16:53:01+00:00

不過,牛頓也很糾結,這是因為宇宙如果真像古希臘先哲和哥白尼所認為的那樣,那根據萬有引力定律,宇宙就應該在引力的作用下向中心擠壓,最終壓成一個點。

宇宙到底有多大?

關於「宇宙到底有多大?」這個問題,客觀地說,人類可能永遠無法知道正確的答案。為什麼這麼說呢?這其實需要從古代說起。

其實不同的古代文明,都不同程度地發展出了天文學。中國在近代以前,具有全世界最詳盡的天文觀測數據的文明。天文觀測可以幫助人類準確地記錄時間,也對古人的哲學理論有十分重要的幫助。

不過,客觀地說,古人認為的宇宙大小要遠遠小於如今人類對於宇宙大小的認知。我們以古希臘為例,古希臘哲學家認為宇宙的大小就是最外層天球的大小,最外層天球上鑲嵌著幾乎不動的各類天體,地球是宇宙的中心,各個天體都繞著地球轉,這其實是很符合我們的主觀直覺的,也就是大名鼎鼎的地心說。

後來,我們知道哥白尼提出了日心說。但是這個日心說並沒有擴大宇宙的大小,對於宇宙空間大小的認識其實還是處於古希臘的水平。

再後來,牛頓提出了萬有引力定律。不過,牛頓也很糾結,這是因為宇宙如果真像古希臘先哲和哥白尼所認為的那樣,那根據萬有引力定律,宇宙就應該在引力的作用下向中心擠壓,最終壓成一個點。

問題是,宇宙根本沒有發生這樣的收縮。因此,這就和牛頓的萬有引力定律相矛盾了。在無奈之下,牛頓為了彌補這個缺陷,他就提出宇宙是無限大的觀念。如果宇宙是無限大的,那處處都是中心,處處引力都是平衡的,也就不會發生收縮的情況。

牛頓的這個觀念聽起來好像很有道理,但也有人是不買單的,這個人就是奧伯斯。他就尋思,如果宇宙是無限大的,那意味著宇宙中有無限多的天體,這就意味著有無限多的光源。那地球就應該有黑夜,因為無限多的光將會把地球照亮、

奧伯斯的想法不能說完全沒有道理,他確實是基於牛頓的認知提出來的一個觀念,也很好地反駁了牛頓「無限大宇宙」的看法。如果我們也把這個叫做奧伯斯佯謬。那奧伯斯佯謬到底哪裡出了問題?

可觀測宇宙

奧伯斯活躍的年度大概是距今200年前左右。在他之後,有兩門科學快速發展,一門是電磁學,一門是宇宙學。這兩門學科的發展才讓我們明白奧伯斯佯謬的錯誤。

具體來說是這樣的,當時的人們通過理論推導和實驗,得到了光速的範圍,如今我們也知道,光速大概是3*10^8m/s。也就是說,即便是宇宙中有無數的天體,它們的光照過來,也是需要時間的,而不是瞬間達到的。那麼,如果宇宙的永恆的,不隨時間的流逝而變化,這就代表光有充足的時間傳播到地球上,地球也還是應該沒有黑夜。

後來,宇宙大爆炸理論誕生,我們通過測算哈勃常數,可以知道宇宙的年齡大概是138億年。也就是說,給光傳播的時間只有138億年。

那按照這個看法,我們所能夠看到的宇宙大小,其實就應該是一個138億光年為半徑的球體。超出這個球面的天體的光應該還在路上,沒有到達地球,我們也把理論上我們能觀測的宇宙稱為可觀測宇宙。那按照這個說法,我們就知道奧伯斯佯謬其實是不成立的,宇宙縱使有無限多的天體,但也並不是所有的光都能傳播到地球上,但問題遠遠沒有結束。

我們現在知道,可觀測宇宙的半徑是465億光年,而不是138億光年。那多出來的部分到底是咋來的呢?

上世紀20年代,哈勃在觀測銀河系外星系時,就發現其中大部分的星系都在遠離我們,而且距離我們越遠的,遠離的速度越快。如果是天體自己在運動,那應該是有的在靠近銀河系,有的在遠離,而不是應該是這樣的規律。因此,只有一個解釋,那就是宇宙正在發生膨脹。

後來,科學家基於愛因斯坦的廣義相對論,哈勃的發現以及量子力學建立了一套標準宇宙模型,地基就是宇宙大爆炸理論。他們還預言了兩個關鍵證據,結果也都被找到了。於是宇宙大爆炸理論也逐漸被學術界所接受。

根據宇宙大爆炸理論,我們知道,宇宙誕生於138億年前,隨後開始發生劇烈的膨脹。因此,我們在考慮光是否能夠達到地球時,也需要把膨脹的效應帶入進去。

如果帶進去一計算,我們就會發現,可觀測宇宙的半徑可以達到461億光年。那這其實距離465億光年還是差了4光年。那這4光年又是咋來的呢?

其實上文我們一直都在說電磁波,或者說光的傳播。但實際上,宇宙大爆炸之後,宇宙中充滿了粒子,光子也被擠在其中,沒有辦法開始傳播,這個情況一直持續到宇宙大爆炸後38萬年。因此,461億年的結果是按照宇宙大爆炸之後38萬年,光子可以開始傳播算起的,最早的38萬年並沒有計算在內。

可是我們其實可以利用引力波和中微子來觀測這段時間的宇宙歷史,因此,可觀測宇宙也應該把這段時間也算上,並且也要考慮膨脹效應。

把上面的因素統統考慮進入後,我們就可以得到可觀測宇宙的半徑是465億光年,直徑也就是930億光年了。

真實的宇宙有多大?

可觀測宇宙其實不是宇宙,而只是宇宙的一部分,而且是極其小的一部分。那問題來了,真實的宇宙到底有多大呢?

其實我們沒有辦法直接去測算這個尺度,不僅如此,宇宙其實是處於動態變化的,而不是固定不變的,因此,思考當下宇宙的大小其實意義不大,我們需要把時間因素也考慮進去,這樣問題就變得極其複雜。

科學家換了一種方式,從宇宙的形狀去思考的,如果宇宙是平坦的,那宇宙就應該是無限大的,如果宇宙是彎曲的,那它有可能是封閉的,也可能是無限大的。

根據如今的觀測來看,宇宙在千分之六的精度上是平坦的,也就是說,宇宙可能是無限大的。但這裡要多說一句,這個測算的結果其實誤差還是比較大的,關於宇宙到底有多大,其實還需要後續更多的探測器所探測到的數據來判斷。

關鍵字: