宇宙诞生才138亿年，宇宙大小为什么会有930亿光年？宇宙距离简析

发布网友 发布时间：2022-12-24 11:25

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热心网友 时间：2023-10-09 02:53

很多人都听说过我们的可观测宇宙有930亿光年大，但它诞生至今却只有138亿年， 你可能会感到困惑，这是怎么一回事呢？不是说光速是恒定的吗？它只有那么快，我们是怎么看得到930亿光年外的宇宙的？

首先说明一下，930亿光年指的是可观测宇宙的直径，半径是465亿光年。可观测宇宙是指以我们地球为中心，向各个方向所能看到的最远距离，这就是我们的可观测宇宙的半径范围，这个半径大约是465亿光年，超过这个半径以外的宇宙我们是观测不到的。而这个半径在三维空间里就构成了一个以地球为中心的球体，这个球体就是我们的可观测宇宙的全部，它的直径就是930亿光年。

实际上我们的宇宙的直径是肯定不止930亿光年的，自然它的半径也肯定不止465亿光年。但是即使是这465亿光年，也并不是实际观测到的距离值，也就是说，它并不是我们现在能观测到的距离，而是一个理论计算值，而这个理论计算值是根据宇宙的年龄和用于计算宇宙膨胀速率的哈勃常数按照理论模型确定的。

至于这个理论计算值的具体含义我们稍后再说，我们从最简单也是最常见的距离讲起。

我们知道，按照现有的物理理论，光速是一个恒定的值，因此它可以用于计算距离，现在我们在计算宇宙天体的距离时常用的单位光年就是指光一年所经过的距离。而按照目前的宇宙大爆炸理论和测量得到的哈勃常数计算，宇宙的年龄约为138.2亿年。也就是目前我们所能接收到的最远的信息，传播到地球的时间也就是138.2亿年，它们经过的距离就是138.2亿光年了。

你会发现这个时候出现了两个观察极限的距离，一个是465亿光年，一个是138.2亿光年。

138.2亿光年这个距离就是我们第一个要介绍的宇宙学距离——光行距离。光行距离顾名思义就是光行进的距离，由于光速是一个恒定值，因此，光行距离只要以光速乘上一个具体的时间就能得到具体的距离。（比如以光速乘上1年，得到的就是一光年的距离，他大约相当于365.25x24x3600x299792458=9460730472580800m=9460730472580.8km）

因此，也就是说，由于我们宇宙的年龄所限，我们能看到的最远距离就是光行距离138.2亿光年，这就是我们的可观测极限。然而我们所处的宇宙并非是静态的，它从诞生开始就一直在不停地膨胀，因此当我们看到这些光行距离138.2亿年的天体时（假装这个距离上有天体吧，比较好理解），它们早已经不在原来的位置上了，也就是它们现在并不在138.2亿光年处。

在上世纪20年代末，美国天文学家爱德文·哈勃利用对Ia型超新星的光谱分析，发现宇宙中所有方向上的远方星系都在远离我们，而且远离的速度与距离存在比例关系，距离地球越远，远离的速度越快。

这种现象让已经从地球中心说和太阳中心说里解脱出来的科学家相当困惑，因为这意味着地球处在一个特殊的位置，类似于一个爆炸的中心，所有的远方星系都在远离我们这个中心。

不过很快，科学家就给出了一个最为简洁的解释：宇宙正在膨胀。

我们可以试想象这样一种情况：在一个膨胀的气球表面，随着气球膨胀，气球上的a、b、c三个点会互相远离，我们假设b处在a和c之间，那么同一时间内ac之间膨胀的距离将等于ab之间膨胀的距离加上bc之间膨胀的距离，这样，在a看来，c远离的速度就会比b更快。这样，地球就无需处在一个特殊的位置。

但是问题来了，宇宙在膨胀，宇宙就不再是静态的了，它是一个动态宇宙。如果空间在膨胀，光速就没法代表真实的距离了……

试想一下，当一束光从a射向c，但这传播的过程中，a与c之间的空间一直在膨胀，当a到达c的时候，ac的距离早已不是原来的距离了。

这就使距离变得比较复杂了，可以说根本没法确定距离，因为宇宙一直在膨胀，你想知道某个距离得先确定那是什么时候的距离，因为ac之间的实际距离随着空间的膨胀，每时每刻都不一样，它是随时间变化的……

既然观察到的空间膨胀是各向同性而均匀的，那能不能把尺子固定下来呢？也就是说随着空间膨胀，我们用来测量空间的尺子也一起膨胀，这样距离就不会随时间发生变化了，我们就可以定义任意时刻天体间的距离，甚至宇宙的大小了。

答案是肯定的，而这种尺子随空间膨胀的距离就叫共动距离。

那么问题来了，这把尺子的数值是什么时候确定下来的呢？当然是现在了。因为我们对空间距离的定义是基于现在的，这意味着所有尺子的测量和定义都是基于现在的。

当尺子被固定下来后，宇宙的大小和星系距离就不会再随时间变化了，那么它现在多大呢？答案就是前面所说的：465亿光年。这个就是我们可观测宇宙的实际半径，实际的直径也就是930亿光年。

这个值是怎么得到的呢？前面已经简单说过，就是在确定了宇宙年龄后，光速138.2亿年时间所经过的距离，也就是138.2亿光年的光行距离，根据理论模型、哈勃常数得到的宇宙膨胀率计算在这138.2亿年里，这段光行距离距离现在膨胀到多大，计算结果就是465亿光年。

这个距离就是我现在我们所能观察到的可观测宇宙边界的真实距离，这个距离就称为固有距离。它代表实际的距离，而由于前面提到的定义的缘故，现在的可观测宇宙的固有距离就等于共动距离。

我们来总结一下上面介绍的三种距离。我们最熟悉的大概就是光行距离了，我们常常听到的某颗星星距离我们多少光年，比如我们太阳系距离银河系约2.6万光年这样的距离用的就是光行距离，它是最直观最容易理解的距离。

实际上在很多的书籍中结束遥远星系所用的也是光行距离，比如前些年报道科学家发现一个最遥远的星系距离我们132亿光年，你很容易就能知道这个星系在宇宙大爆炸后6亿年后就已经诞生了。

但光行距离实际上既不代表这些光发出时与我们的距离，也不代表这些光到达时跟我们的距离……这就很尴尬了……

实际上那些光发出时，这些星系距离银河系所在的空间位置远小于132亿光年，而光到达时，这些星系距离银河系又远大于132亿光年。这就是光行距离……一种本来很精确结果被宇宙膨胀坑惨了的距离……

至于共动距离，主要是方便研究星系相对位置和物质密度，由于它一经确定，就不再受宇宙膨胀的影响，因此可以确定任意星系间的距离，也可以确定一定区域内星系的密度。但它本身只是一个定义值，不具有真实性，只不过它本定义为现在的真实值。

固有距离顾名思义就是本来的距离。它是一个静态宇宙下定义出来的真实值，是此刻让宇宙定格不再膨胀时所能测量到的距离值。这就是我们日常使用的距离，诸如上海到北京的距离就是固有距离。但由于我们的宇宙是动态膨胀的，因此固有距离的值是会随时间变化的。

我们可观测宇宙半径465亿光年指的就是这个固有距离。也就是光行距离138.2亿光年外的星系的现在距离我们的真实距离是465亿光年，但此时的这个星系我们是看不见的，即使现在宇宙不再膨胀，它现在在465亿光年外所发的光也要465亿年后我们才能看到。

因此，虽然说可观测宇宙是465亿光年，但你千万不要以为我们现在能看到465亿光年外的光。