科學解答:宇宙的直徑為何能超過它的年齡?

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宇宙的大小

光速是宇宙最重要和基本的特性之一;在很多研究上都必須使用光速,像是測量距離、星際通信,以及各種數學上的計算,而這僅僅是初步的應用而已。

光速在真空中行進的絕對速度為每秒186,282英里(299,792公里),如果將這個定理打破,那麼現代物理學的根基也會跟著崩解,會崩解的原因很多,但是皆可歸因於「宇宙中沒有任何東西行進速度能高於光速」的基本假設。

你可以想像,當有人認為宇宙的寬度事實上並非原先所想,與宇宙年齡相對應的138億光年,會有多麼另人困惑,按目前的估計,宇宙比設想的138億光年還要大得多,大到令人吃驚的930億光年寬,而這只是我們目前能看到的大小,而我們看不到的未來,宇宙仍會繼續擴大

那麼,若宇宙只有138億歲,為何能有930億年寬,又為什麼沒有東西能快過光速呢?

何為紅位移

在你能理解為何宇宙比宇宙本身的年齡大得多之前,必須要先對光的特性有所理解。

牛頓,無疑曾是世界上最聰明的人之一,他除了「發明」微積分之外,也是首位真正理解光的本質之人,當你真正將光解構後,會發現什麼呢?

Light Dispersion Through a Prism

對初出入門者而言,他的研究發現所謂的黑色其實是完全沒有色彩的狀態,相反的,像是來自太陽和星星的白色光線,是由所有色彩所集合而成。透過三稜鏡來觀測白色光線,可以看到白光的所有組成光,因此可以用在測定組成、溫度甚至用來判斷天體目前演進的階段。

牛頓的學說在很多方面都徹底顛覆了以前的物理學,並且為像是尼爾斯·波耳、馬克斯·普朗克和(想當然爾)愛因斯坦等許多偉大的研究者,奠定了根基。

前面提及這些事情主要是因為,繼牛頓之後與其學說研究最為相關的科學家,要屬牛頓死後好幾百年的克里斯蒂安·都卜勒

如果你並不熟悉都卜勒,現今聽到的都卜勒效應,就是由都卜勒所發現,這個效應解釋了為何來自宇宙的光線多位於電磁光譜上的紅色端和藍色端。

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遠距星系光譜吸收譜線(圖文來源:Chano Birkelind, Niels Bohr Institute)

簡言之,都卜勒效應說明光波波長會根據觀測物體朝我們移動,或是遠離我們而偏移。

更詳細的解釋,若觀測物離觀測者遠去,就會顯現紅色(較長的波長),若是朝觀測者而來,光波受到壓縮,就會呈現藍色(較短的波長)。

緊隨著這個討論,出現了戲劇性的變化,在觀測之後,幾乎所有的星系都朝向更長的波長方向移動,這表示這些星系看起來是偏紅色(就像他們不停離我們遠去),而且,它們不僅僅是不停離我們遠去,我們可以觀測到這些紅移不住的增加,這表示這些物體正加速遠去。

這使我們相信,宇宙並非恆定的,有些人甚至認為宇宙: 仍然不斷擴張!

了解宇宙的膨脹

接下來,就是問題所在了。據我們對紅移的觀測,距離我們三倍遠的物體,會以附近星系三倍速率的速度移動,當我們看到外太空越遠的地方,星系移動的速率就越快速,距離如此之遙,讓物體移動速度快到輕易就超過了光速,然而,如先前所述,光的速度是宇宙速度的最高限制,因此,這怎麼可能呢?

首先要注意到,如果我們舉目所及有限,那麼宇宙實際的範圍較我們能夠理解的範圍廣的多。

這種邊緣被稱為「可觀測宇宙」,在可觀測宇宙中,有:

-上千萬個超星系團

-250億個星系群

-3,500億個大星系

-7兆個矮星系

-300億兆個(3×10²²)星星

如果以上這些全部由137億光年的時空裝載,宇宙好像就有點太擁擠了,然而,關於宇宙最常見的謬誤就在於:認為宇宙的大小應該等於它的年齡(以光在一年內能覆蓋的面積為計算基礎),這種假設產生的問題要回溯至宇宙大爆炸後的幾個短暫瞬間。

是這樣的,137.5億年前,當宇宙突然間「蹦」出,時空本身就以超過光速的速度開始擴張,這個過程,稱作膨脹,在了解這個問題上,宇宙空間大範圍的同質性,以及在宇宙初出所具備的條件,比宇宙的大小來得重要多了。

大爆炸2

自然雜誌的膨脹理論

基本上,宇宙從一種緻密和炙熱的狀態,轉瞬間,轉變為中子和質子粒子滿溢的狀態,這些粒子最後融合在一起,成為所有物質的來源,在起初的膨脹逐漸平息後,擴張便放緩了,接著,物體被神秘的「暗能量」拉扯分開。

透過目前尚未釐清的某些反應,這個擴張確實以快過光速的速度進行,『但是』,後面不是你想的那樣。

我擔心,對相對論的基本誤解會造成混亂,是這樣的,相對論說『物體』無法在時空中以超光速行進,但是,其中並沒有說,時空本身不能以超光速行進,因此,總歸一句,太空的大小和基礎物理並不衝突。

不對,宇宙的大小不等於宇宙的年齡乘上光速。

沒錯,宇宙正在以超光速的速度膨脹。

但星系本身(或任何其他物體)不違反任何物理定律,因為他們都沒有比光速更快,反之,是太空的每一個部分都在拉伸,不單只是宇宙外緣向外退,而是時空本身:每個星系之間、星星間、星球間、你和我之間,都在拉伸中。

在有趣的部分之外,這種擴張對未來的宇宙有負面的影響,假設擴張一直持續(而且未曾減緩),可見宇宙的地平線將會逐漸縮小,直到物體遠至物體間的光無法傳遞至另一個星系。

因為這個緣故,很多我們現在看到的東西,原本離我們是很近的,都是因為膨脹的關係,這些物體已經被帶離我們的視線範圍了,有些星系和其他物體都已經紅移至消失了(或是紅移出我們的視界),事實上,最遠古的星系,在宇宙才幾百歲時,就在宇宙最古老的一些物質間形成,而這些星系,多數很可能早已不存在,或是現今已位在宇宙中完全不同的角落了。

來源: Futurism

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