宇宙的历史只有6543.8+038亿年。为什么哈勃体积的半径是465亿光年?

关于“宇宙有多大?”客观来说,人类可能永远不知道这个问题的正确答案。为什么这么说?这其实需要从古代说起。

事实上,不同的古代文明都不同程度地发展了天文学。近代以前,中国拥有世界上最详细的天文观测资料的文明。天文观测可以帮助人们准确记录时间,对古人的哲学理论也很重要。

但客观来说,古代人认为宇宙的大小比今天人类认知的宇宙大小要小得多。我们以古希腊为例。古希腊哲学家认为宇宙的大小是最外层天球的大小,里面镶嵌着几乎不动的天体。地球是宇宙的中心,所有的天体都围绕着地球旋转。这其实符合我们的主观直觉,也就是著名的地心说。

后来我们知道哥白尼提出了日心说。但是这种日心说并没有扩大宇宙的大小,对宇宙大小的认识还停留在古希腊的水平。

后来牛顿提出了万有引力定律。不过牛顿也很纠结,因为如果宇宙真的像古希腊哲学家和哥白尼所想的那样,那么根据万有引力定律,宇宙应该是在万有引力的作用下向中心挤压,最终压成一个点。

问题是宇宙根本没有这样收缩过。因此,这与牛顿的万有引力定律相矛盾。无奈之下,牛顿为了弥补这一缺陷,提出了宇宙无限的观点。如果宇宙是无限的,处处都是中心,处处引力平衡,就不会有收缩。

牛顿的想法听起来很有道理,但是有些人不买单,那个人就是奥尔勃斯。他想,如果宇宙是无限的,就意味着宇宙中有无限个天体,也就意味着有无限个光源。那么地球就应该有黑夜,因为无限的光会照亮地球。

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奥尔勃斯的想法不能说完全不合理。他确实提出了一个基于牛顿认知的观点,也很好地反驳了牛顿的“宇宙无限”观点。如果我们也称之为奥尔勃斯悖论。那么,奥尔勃斯悖论有什么问题呢?

奥尔勃斯活跃的一年大约是200年前。在他之后,两个科学迅速发展,一个是电磁学,一个是宇宙学。这两个学科的发展使我们理解了奥尔勃斯的谬误。

具体来说,当时的人们通过理论推导和实验,得到了光速的范围。现在我们也知道光速大约是3 * 10 8m/s,也就是说,即使宇宙中有无数的天体,它们发光也是需要时间的,而不是瞬间的。那么,如果宇宙是永恒的,不随着时间的推移而变化,那就说明光有足够的时间传播到地球上,地球应该还是没有黑夜的。

后来,生活大爆炸理论诞生了。通过测量哈勃常数,我们可以知道宇宙的年龄大约是654.38+038亿年。也就是说,光的传播时间只有654.38+038亿年。

按照这个观点,我们所能看到的宇宙大小,其实应该是一个半径为654.38+038亿光年的球体。这个球体以外的天体发出的光应该还在路上,还没有到达地球。我们也把理论上可以观测到的宇宙叫做哈勃体积。根据这种说法,我们知道奥尔勃斯悖论实际上是站不住脚的。即使宇宙中有无限多的天体,也不是所有的光都能传播到地球,但问题远没有结束。

我们现在知道哈勃体积的半径是465亿光年,而不是654.38+038亿光年。多出来的部分从何而来?

20世纪20年代,哈勃观测银河系外的星系时,发现它们大多离我们很远,离我们越远,距离越快。如果天体在自行运动,应该是有的靠近银河系,有的远离,而不是这样的规律。所以,只有一种解释,那就是宇宙在膨胀。

后来,科学家根据爱因斯坦的广义相对论、哈勃的发现和量子力学建立了宇宙的标准模型,基础就是宇宙大爆炸理论。他们还预测了两个关键证据,结果也找到了。所以生活大爆炸理论逐渐被学术界所接受。

根据大爆炸理论,我们知道宇宙诞生于654.38+03.8亿年前,之后开始剧烈膨胀。所以我们在考虑光能否到达地球的时候,也需要把膨胀的效应带入其中。

如果考虑进去,会发现哈勃体积的半径可以达到461亿光年。那么这实际上离465亿光年有4光年。那这四光年是怎么来的?

其实我们一直在说电磁波,或者说光的传播。但实际上,BIGBANG之后,宇宙充满了粒子,光子被挤压在其中,没有办法开始扩散。这种情况一直持续到大爆炸后的38万年。所以461亿年的结果是按照大爆炸后38万年光子才能开始传播来计算的,最早的38万年不算。

但是,我们其实可以利用引力波和中微子来观察这一时期的宇宙历史。所以哈勃体积也要包括这个时期,并考虑膨胀效应。

综合以上因素,我们可以得到哈勃体积的半径为465亿光年,直径为930亿光年。

哈勃体积不是宇宙,只是宇宙的一部分,而且是极小的一部分。问题是,真实的宇宙有多大?

事实上,我们无法直接测量这个尺度。不仅如此,宇宙其实是在动态变化的,而不是固定不变的。所以,思考现在宇宙的大小意义不大。我们需要把时间因素考虑进去,所以问题变得极其复杂。

科学家的思考方式与宇宙的形状不同。如果宇宙是平的,那它应该是无限的。如果宇宙是弯曲的,它可能是封闭的,也可能是无限的。

按照今天的观测,宇宙是平的,精度是千分之六,也就是说宇宙可能是无限的。不过,这里还有一点要说。其实这个计算结果误差还是比较大的。宇宙到底有多大,其实需要后续探测器探测到更多的数据来判断。