在一个138亿年前的宇宙中,我们怎么能看到461亿光年远的地方?
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如果我们实验确定宇宙中有一个常数,那就是真空中的光速c。不管光在哪里,何时,或朝哪个方向传播,它以每秒299792458米的速度,每年传播1光年(约9万亿公里)。大爆炸已经有138亿年了,这可能会让你想到我们能看到的最远的天体是138亿光年远的。但不仅如此,我们能看到的最远距离是138亿光年距离的三倍多:461亿光年。
如果宇宙的年龄是138亿年,我们怎么能探测到任何距离我们超过138亿光年的信号呢?
我们可以从想象一个宇宙开始,在那里我们能看到的最遥远的物体实际上是138亿光年远。要做到这一点,必须有一个宇宙:
如果你想象你的宇宙是一个三维的网格,有一个X,Y,Z轴,空间本身是固定不变的,这是可能的。在遥远的过去,天体会发出光,光会穿过宇宙,直到它到达我们的眼睛,我们会在“数年”之后收到与光所经过的“光年”数相同的“光年”。
不幸的是,这三个假设都是错误的。首先,天体之间不会保持固定的距离,而是可以自由地在它们所占据的空间中移动。宇宙中所有的大量和能量天体相互引力作用使它们移动并加速,聚集在一起,如星系和星系团,而其他区域则变得没有物质。
这些力会变得极其复杂,从星系中踢出恒星和气体,产生超快的超高速物体,并产生各种加速度。我们所感知到的光将根据我们与观察对象的相对速度而红移或蓝移,光的传播时间不一定与任何两个对象之间的实际当前距离相同。
这最后一点非常重要,因为即使在空间是静止的、固定的、不变的宇宙中,天体仍然可以穿过它。我们甚至可以想象一个极端的例子:一个天体位于距离我们138亿光年的约138亿年前,但以非常接近光速的速度离开我们。
那光仍将以光速向我们传播,以138亿年的时间跨度穿越138亿光年。但当这束光到达今天时,这个物体的距离可能是现在的两倍:如果它以接近光速的速度任意离开我们,距离我们的距离可能高达276亿光年。即使空间的结构没有随着时间的推移而改变,但我们今天可以看到的许多物体可能离我们138亿光年远。
唯一的问题是,它们的光最多可以传播138亿光年;天体发出这种光后如何移动无关紧要。
但空间结构也不是恒定的。这是爱因斯坦的重大启示,使他形成了广义相对论:空间和时间都不是静止的或固定的,而是形成了一种称为时空的结构,其性质取决于宇宙中存在的物质和能量。
如果你要取一个平均充满某种形式物质或能量的宇宙,不管它是正常物质、暗物质、光子、中微子、引力波、黑洞、暗能量、宇宙弦,或者两者的任何结合——你会发现空间结构本身是不稳定的:它不能保持静止不变。相反,它必须要么膨胀要么收缩;天体之间的巨大宇宙距离必须随着时间而改变。
从1910年代和1920年代开始,观察开始证实了这一点。我们发现天空中的螺旋状和椭圆形星云是我们自己以外的星系,我们测量了它们的距离;我们发现它们越远,它们的光就越红移。
在爱因斯坦广义相对论的背景下,这得出了一个肯定的结论:宇宙正在膨胀。
这比人们通常意识到的还要深刻。空间结构本身并不是随时间而保持不变,而是不断膨胀,推动着彼此之间没有引力束缚在一起的物体。就好像单个星系和星系团是葡萄干嵌入在一个看不见的(类似空间的)面团的海洋中一样,当面团发酵时,葡萄干就被推开了。这些对象之间的空间会扩大,从而导致单个对象看起来彼此之间的距离变小。
这对我们观察背后的意义有着巨大的影响。当我们观察一个遥远的物体时,我们不仅仅看到它发出的光,也不仅仅看到光被光源和观察者的相对速度所移动。相反,我们看到了膨胀的宇宙是如何从膨胀空间的累积效应中影响到光的,这些累积效应发生在它的旅程中的每一点上。
如果我们想 探索 我们能看到的距离的绝对极限,我们会寻找尽可能接近138亿年前发出的光,这些光今天才刚刚到达我们的眼睛。我们会根据我们现在看到的光来计算:
在这一点上,我们不仅为少数天体做到了这一点,而且还为数以百万计的天体做到了这一点,从我们自己的宇宙后院到300多亿光年之外的物体。
你问,这些天体怎么可能在300亿光年之外?
这是因为任何两点之间的空间——比如我们和我们观察的天体——随着时间的推移而扩大。我们所见过的最远的天体已经有134亿年的光程向我们移动;我们现在看到的是大爆炸后的4.07亿年,也就是宇宙现在年龄的3%。我们观察到的光被红移了大约12倍,因为观察到的光的波长比发出时长1210%。在那134亿年的旅程之后,这个天体现在距离地球约321亿光年,与不断膨胀的宇宙一致。
基于我们所做的全套观测,不仅测量物体的红移和距离,还测量宇宙大爆炸(宇宙微波背景)的余辉,星系的聚集和宇宙大尺度结构的特征,宇宙、引力透镜、星系群碰撞、任何恒星形成前产生的光元素的丰度等等——我们可以确定宇宙是由什么构成的,以及比例。
今天,我们最好的估计是,我们生活在一个由以下组成的宇宙中:
这符合我们所有的数据,并导致了一个独特的膨胀 历史 ,可以追溯到大爆炸的那一刻。从中,我们可以提取出可见宇宙大小的一个独特值:各向461亿光年。
如果我们在一个有138亿年 历史 的宇宙中所能看到的极限真的是138亿光年,那将是一个非同寻常的证据,证明广义相对论都是错误的,物体不能随时间从一个位置移动到宇宙中更遥远的位置。大量的观测证据表明,物体确实在运动,广义相对论是正确的,宇宙正在膨胀,并由暗物质和暗能量的混合所支配。
当你把所有已知的东西都考虑进去时,我们发现一个宇宙,它始于大约138亿年前的一次大爆炸,此后一直在膨胀,其最远的光可以从距离我们461亿光年远的物体射向我们。在最遥远的宇宙边界,我们与我们所观察到的遥远的、未受束缚的空间之间的空间,继续以每年6.5光年的速度膨胀。随着时间的推移,宇宙的遥远之处天体将从我们的视眼中消失。
在一个138亿年前的宇宙中,我们怎么能看到461亿光年远的地方?视频
相关评论:15749715891:把人类放在宇宙138亿年之中,会发生什么
钟楠俗答:在距今约138亿年前随着一颗奇点的爆炸时间和空间悄然形成了,而随之产生的各种热物质也开始以光速向四面八方飞散而去。在距今137亿年前在众多气体和尘埃的原始云层中,宇宙中第一颗真正意义上的恒星诞生了,它的名字叫玛土萨拉。在距今138亿年前,宇宙开始形成第一批黑洞。科学家们认为,这很有可能是...
15749715891:大爆炸是如何发生的,以及在大爆炸之前存在着什么呢?
钟楠俗答:迈克尔说:“138亿年前,在一个已经存在的静态宇宙中,两个物体以天文速度相撞。碰撞产生的极端压力和摩擦使物质处于夸克-胶子等离子体状态。这句话以前听过。他接着说:“星系是碰撞产生的碎片。这一万亿个星系都是在这两个物体相撞的那一刻产生的,而不是几十万年后。从那以后,每个星系都很酷。“...
15749715891:138亿年前,宇宙爆炸“炸”出所有物质!原材料来自能量种子?
钟楠俗答:简单点说,它阐述的内容就是, 我们已知的宇宙始于 个 的奇点,然后在接下来的138亿年中,这个点膨胀为我们今天所知道的宇宙。 “ 爆炸理论” 词在天体物理学家中已经流 了数 年,在2007年,当喜剧 《活 爆炸》 节(该节 讲述了 位研究 员(包括天体物理学家)的家庭和学术 活)在 CBS上 次亮相时,这个理论已经...
15749715891:在138亿年的宇宙中,每个黑洞仍在增长,没有因霍金辐射而衰减
钟楠俗答:换言之,它甚至都不接近。来自宇宙微波背景的单个光子平均携带的能量,是真实黑洞每秒发射的霍金辐射的100万倍。假设一个2.5太阳质量的黑洞每秒吸收10^25个光子,很明显宇宙中的每个黑洞都在增长,而不是衰变。如果想让黑洞更快地衰变,你有两个选择:如果有一个黑洞,它的质量只有水星的质量,它的霍...
15749715891:宇宙已经138亿岁了,460亿光年的光为啥可以传我们这里?
钟楠俗答:138亿年前,宇宙异常炙热和稠密,充满了各种各样的能量:辐射(光子)、物质(像质子、中子和电子),以及空间自身的固有能量(暗能量)。如果在一个膨胀的宇宙中只充满了以上其中一种能量,那么星体发出的光到达我们这里被我们观察到,星体经过138亿年的旅程,它会离我们有多远?我们会得出三个答案!为什么。
15749715891:宇宙起源之谜,138亿年前到底发生了什么?
钟楠俗答:1. 宇宙起源的广为接受的理论是大爆炸理论,该理论提出,大约138亿年前,宇宙从一个极度密集和热的状态开始膨胀。2. 这个理论认为,大爆炸释放了宇宙所需的物质和能量,宇宙随之后开始扩张和冷却,这些物质逐渐聚集形成恒星和星系,最终形成了我们今天所观察到的宇宙结构。3. 尽管大爆炸理论在很大程度上...
15749715891:根据万有引力,宇宙会因为引力而塌缩,为何却在加速扩张?
钟楠俗答:大爆炸模型的提出和确立,让我们知道了宇宙在诞生之初就有一个初始的膨胀率,在138亿年的宇宙历史中,物质所产生的引力一直都在和这个膨胀率对抗,而且我们还发现了宇宙中存在另外一种物质形式暗物质,当时我们认为整个宇宙是由普通物质、暗物质和辐射组成的。但是在1998年,两个独立的科学小组通过对遥远1a...
15749715891:一个难以相信,却又无可奈何的事实:我们生活在银河系的贫瘠地区
钟楠俗答:人类已经对宇宙有了一定的认知,现代科学认为,我们的宇宙诞生于138亿年,在138亿年前,有一颗奇点发生了爆炸,奇点是一个质量无限大,能量无限大,热量无限大,密度无限大,体积无限小的点。这个点爆炸以后,宇宙快速地向四周膨胀,经过138亿年的时间,宇宙才膨胀成我们现在看到的样子,科学家认为,宇宙...
15749715891:宇宙年龄138亿年
钟楠俗答:光速是宇宙中物质运动的最快速度,而宇宙的年龄是138亿年,可观测部分的直径是930亿光年,这看起来似乎有些矛盾。宇宙的年龄和大小,目前关于宇宙演化的主流观点是宇宙大爆炸理论,该理论认为宇宙从一个极度热密的奇点开始膨胀。在1916年,爱因斯坦提出了广义相对论,并通过该理论的场方程研究了宇宙的演化...
15749715891:既然宇宙诞生于138亿年前,那在宇宙诞生之前,又存在着什么?
钟楠俗答:宇宙万物从何而来?对此,“大爆炸宇宙论”给出的解释是,宇宙万物诞生于138亿年前的一次“宇宙大爆炸”,在这个过程中,一个致密炽热的“奇点”不断地膨胀,最终演化成了我们现在所看到的宇宙万物。尽管这种观点令人感到匪夷所思,但是因为有大量的观测数据以及相关理论的支持,所以“大爆炸宇宙论”得到...
如果宇宙的年龄是138亿年,我们怎么能探测到任何距离我们超过138亿光年的信号呢?
我们可以从想象一个宇宙开始,在那里我们能看到的最遥远的物体实际上是138亿光年远。要做到这一点,必须有一个宇宙:
如果你想象你的宇宙是一个三维的网格,有一个X,Y,Z轴,空间本身是固定不变的,这是可能的。在遥远的过去,天体会发出光,光会穿过宇宙,直到它到达我们的眼睛,我们会在“数年”之后收到与光所经过的“光年”数相同的“光年”。
不幸的是,这三个假设都是错误的。首先,天体之间不会保持固定的距离,而是可以自由地在它们所占据的空间中移动。宇宙中所有的大量和能量天体相互引力作用使它们移动并加速,聚集在一起,如星系和星系团,而其他区域则变得没有物质。
这些力会变得极其复杂,从星系中踢出恒星和气体,产生超快的超高速物体,并产生各种加速度。我们所感知到的光将根据我们与观察对象的相对速度而红移或蓝移,光的传播时间不一定与任何两个对象之间的实际当前距离相同。
这最后一点非常重要,因为即使在空间是静止的、固定的、不变的宇宙中,天体仍然可以穿过它。我们甚至可以想象一个极端的例子:一个天体位于距离我们138亿光年的约138亿年前,但以非常接近光速的速度离开我们。
那光仍将以光速向我们传播,以138亿年的时间跨度穿越138亿光年。但当这束光到达今天时,这个物体的距离可能是现在的两倍:如果它以接近光速的速度任意离开我们,距离我们的距离可能高达276亿光年。即使空间的结构没有随着时间的推移而改变,但我们今天可以看到的许多物体可能离我们138亿光年远。
唯一的问题是,它们的光最多可以传播138亿光年;天体发出这种光后如何移动无关紧要。
但空间结构也不是恒定的。这是爱因斯坦的重大启示,使他形成了广义相对论:空间和时间都不是静止的或固定的,而是形成了一种称为时空的结构,其性质取决于宇宙中存在的物质和能量。
如果你要取一个平均充满某种形式物质或能量的宇宙,不管它是正常物质、暗物质、光子、中微子、引力波、黑洞、暗能量、宇宙弦,或者两者的任何结合——你会发现空间结构本身是不稳定的:它不能保持静止不变。相反,它必须要么膨胀要么收缩;天体之间的巨大宇宙距离必须随着时间而改变。
从1910年代和1920年代开始,观察开始证实了这一点。我们发现天空中的螺旋状和椭圆形星云是我们自己以外的星系,我们测量了它们的距离;我们发现它们越远,它们的光就越红移。
在爱因斯坦广义相对论的背景下,这得出了一个肯定的结论:宇宙正在膨胀。
这比人们通常意识到的还要深刻。空间结构本身并不是随时间而保持不变,而是不断膨胀,推动着彼此之间没有引力束缚在一起的物体。就好像单个星系和星系团是葡萄干嵌入在一个看不见的(类似空间的)面团的海洋中一样,当面团发酵时,葡萄干就被推开了。这些对象之间的空间会扩大,从而导致单个对象看起来彼此之间的距离变小。
这对我们观察背后的意义有着巨大的影响。当我们观察一个遥远的物体时,我们不仅仅看到它发出的光,也不仅仅看到光被光源和观察者的相对速度所移动。相反,我们看到了膨胀的宇宙是如何从膨胀空间的累积效应中影响到光的,这些累积效应发生在它的旅程中的每一点上。
如果我们想 探索 我们能看到的距离的绝对极限,我们会寻找尽可能接近138亿年前发出的光,这些光今天才刚刚到达我们的眼睛。我们会根据我们现在看到的光来计算:
在这一点上,我们不仅为少数天体做到了这一点,而且还为数以百万计的天体做到了这一点,从我们自己的宇宙后院到300多亿光年之外的物体。
你问,这些天体怎么可能在300亿光年之外?
这是因为任何两点之间的空间——比如我们和我们观察的天体——随着时间的推移而扩大。我们所见过的最远的天体已经有134亿年的光程向我们移动;我们现在看到的是大爆炸后的4.07亿年,也就是宇宙现在年龄的3%。我们观察到的光被红移了大约12倍,因为观察到的光的波长比发出时长1210%。在那134亿年的旅程之后,这个天体现在距离地球约321亿光年,与不断膨胀的宇宙一致。
基于我们所做的全套观测,不仅测量物体的红移和距离,还测量宇宙大爆炸(宇宙微波背景)的余辉,星系的聚集和宇宙大尺度结构的特征,宇宙、引力透镜、星系群碰撞、任何恒星形成前产生的光元素的丰度等等——我们可以确定宇宙是由什么构成的,以及比例。
今天,我们最好的估计是,我们生活在一个由以下组成的宇宙中:
这符合我们所有的数据,并导致了一个独特的膨胀 历史 ,可以追溯到大爆炸的那一刻。从中,我们可以提取出可见宇宙大小的一个独特值:各向461亿光年。
如果我们在一个有138亿年 历史 的宇宙中所能看到的极限真的是138亿光年,那将是一个非同寻常的证据,证明广义相对论都是错误的,物体不能随时间从一个位置移动到宇宙中更遥远的位置。大量的观测证据表明,物体确实在运动,广义相对论是正确的,宇宙正在膨胀,并由暗物质和暗能量的混合所支配。
当你把所有已知的东西都考虑进去时,我们发现一个宇宙,它始于大约138亿年前的一次大爆炸,此后一直在膨胀,其最远的光可以从距离我们461亿光年远的物体射向我们。在最遥远的宇宙边界,我们与我们所观察到的遥远的、未受束缚的空间之间的空间,继续以每年6.5光年的速度膨胀。随着时间的推移,宇宙的遥远之处天体将从我们的视眼中消失。
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钟楠俗答:1. 宇宙起源的广为接受的理论是大爆炸理论,该理论提出,大约138亿年前,宇宙从一个极度密集和热的状态开始膨胀。2. 这个理论认为,大爆炸释放了宇宙所需的物质和能量,宇宙随之后开始扩张和冷却,这些物质逐渐聚集形成恒星和星系,最终形成了我们今天所观察到的宇宙结构。3. 尽管大爆炸理论在很大程度上...
钟楠俗答:大爆炸模型的提出和确立,让我们知道了宇宙在诞生之初就有一个初始的膨胀率,在138亿年的宇宙历史中,物质所产生的引力一直都在和这个膨胀率对抗,而且我们还发现了宇宙中存在另外一种物质形式暗物质,当时我们认为整个宇宙是由普通物质、暗物质和辐射组成的。但是在1998年,两个独立的科学小组通过对遥远1a...
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