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为什么宇宙的年龄是 130 亿年,而我们却能看到 470 亿光年远的东西?

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online_member 发表于 2018-6-13 11:30:06 | 显示全部楼层 |阅读模式
宇宙的年龄约130亿年,可观宇宙半径约为470亿光年。资料在维基百科等很多地方都可以查到。我只是不理解如果光速不可超越的话,怎么会在130亿年时间里产生了470亿光年的距离,并且是人类可观测到的,也就是说还有更远的东西我们目前还无法观测得到呢。

求一个通俗易懂简单的解释。。
online_member 发表于 2018-6-13 11:30:06 | 显示全部楼层
答案其实就在题主自己的题注里的这句话:
“我只是不理解如果光速不可超越的话”
英文是“Nothing is faster than light”,这里的“Nothing”对应的是“Empty Space”。
相对论中的Nothing can't move through space faster than light,但是你不能阻止space自己膨胀。
Quora上天文大牛Thomas Pilgaard的回答(建议大家可以看看他的很多回答,非常有科普性:https://www.quora.com/profile/Thomas-Pilgaard)被折叠了,我把他的答案翻译后修改过来:
题主要求的是一个通俗的解释,那么这么来看: 为什么宇宙的年龄是 130 亿年,而我们却能看到 470 亿光年远的东西?455 / 作者:fvhPHALo / 帖子ID:31042
这是一条非常非常长的路,即便是在没有雾霾的时候,你也根本无法看到底。
在路的两边,每隔1米站着一个人。
接下来,题主,想象一下路(注意,是路)膨胀了!然后你会看到两边的人都在迅速的远离你,然而并不因为他们自己移动了,而是他们脚下的路伸长了!
让我们假设你是0号人,你的左边是-1号,-2号·····你的右边是1号,2号·····:
为什么宇宙的年龄是 130 亿年,而我们却能看到 470 亿光年远的东西?230 / 作者:fvhPHALo / 帖子ID:31042
试着问自己:如果1号人远离0号人也就是你,那么是否意味着1号人离2号人越来越近了呢?
不是的,1号人和2号人之间的空间也经历了同样的膨胀!而这就说明,现在的1号人离你2米(之前离你1米),2号人离你4米(之前离你2米),同样的也适用于-1号人和-2号人等等,最远的7号人离你有14米之多(之前离你7米)。
对于1号人:2-1=1米,2号人:4-2=2米,7号人:14-7=7米
为什么宇宙的年龄是 130 亿年,而我们却能看到 470 亿光年远的东西?741 / 作者:fvhPHALo / 帖子ID:31042

也就是说,离你越远的人,他们跟你距离的增益越大,为方便理解,可以简单记为空间膨胀的速率越大。
现在你正在这样的奇怪的路上开着车,你明确的知道自己的目的地在哪,可是随着旅程的进行,你突然发现,卧槽,怎么开不完了,路越来越多。
为什么宇宙的年龄是 130 亿年,而我们却能看到 470 亿光年远的东西?375 / 作者:fvhPHALo / 帖子ID:31042
图片来自car on the acceleration road
而且更为可怕的是,之前还在你前面的车子,突然无法看见了,无论你以多大的速度去追赶,你都看不到了,因为你车下的路在不断膨胀!
因为宇宙的空间无处不在的膨胀,在138亿年前发射出光线的物质早已远离我们而去(注意我们上面车子的类比),实在是远的不能再远了(远大于460亿光年):
为什么宇宙的年龄是 130 亿年,而我们却能看到 470 亿光年远的东西?909 / 作者:fvhPHALo / 帖子ID:31042
图片来自https://www.youtube.com/watch?v=XBr4GkRnY04
但是,由于我们之间的空间也在不断膨胀(注意上面0号小人的类比),当我们之间的空间膨胀到可以看到138亿年前物体发射出的光时:
为什么宇宙的年龄是 130 亿年,而我们却能看到 470 亿光年远的东西?174 / 作者:fvhPHALo / 帖子ID:31042
图片来自https://www.youtube.com/watch?v=XBr4GkRnY04
这时以我们为中心到以我们能看到的最远的物质的距离为半径做一个球体:
为什么宇宙的年龄是 130 亿年,而我们却能看到 470 亿光年远的东西?604 / 作者:fvhPHALo / 帖子ID:31042
图片来自图片来自https://www.youtube.com/watch?v=XBr4GkRnY04
叫做particle horizon(粒子视界),或者叫做可视化宇宙,可观测宇宙,而这个半径就是460亿光年,直径是930亿光年:
为什么宇宙的年龄是 130 亿年,而我们却能看到 470 亿光年远的东西?953 / 作者:fvhPHALo / 帖子ID:31042
图片来自https://www.youtube.com/watch?v=XBr4GkRnY04
可观测宇宙(observable universe)是一个以观测者作为中心的球体空间,小得足以让观测者观测到该范围内的物体,也就是说物体发出的光有足够时间到达观测者。截至2013年对宇宙年龄最精确的估计是137.98±0.37 亿年。但由于宇宙的膨胀,可观测宇宙的半径并不是固定的138亿光年,人类所观测的古老天体当前的距离比起其原先的位置要遥远得多(以固有距离(proper distance)来衡量,固有距离在现在的时点和同移距离是相等的)。现在推测可观测宇宙半径约为460亿光年,直径约为930亿光年。根据宇宙学原理,从任何方向到可观测宇宙边缘的距离大致是相等的。
引自Observable universe

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求知分割线:
我知道很多同学是不能满足上面的解答的,首先因为我是搞电池的(WTF,这是什么专业?),当然更重要的是没有讲哈勃定律,没有这个大牛,宇宙膨胀的故事远远不够。

根据哈勃定律(Hubble's law)我们得以明白,宇宙的空间是不断膨胀的:
2013年3月21日,从普朗克卫星观测获得的数据,哈伯常数为67.80 ± 0.77 千米每秒每百万秒差距(67.80 ± 0.77 km/s/Mpc)。
引自Hubble's law
我们知道3.26 light-years(ly,光年)=1 parsec (pc,秒差)=3.085×10^(16) m
那么1Mpc(百万秒差)=3.26×10^(6) ly,也就是326万光年
(之前的答案我在这里犯了一个错误,就是忽略了单位是km/s/Mpc)
所以距离观测者326万光年的星系正在以6.78×10^(4) m/s的速度远离,这只是距离326万光年的,那么我们可以看看距离观察者138亿光年的星系远离速率有多大:
为什么宇宙的年龄是 130 亿年,而我们却能看到 470 亿光年远的东西?419 / 作者:fvhPHALo / 帖子ID:31042
已经比较接近光速 为什么宇宙的年龄是 130 亿年,而我们却能看到 470 亿光年远的东西?96 / 作者:fvhPHALo / 帖子ID:31042
那么距离观察者200亿光年的星系的远离速率:
为什么宇宙的年龄是 130 亿年,而我们却能看到 470 亿光年远的东西?334 / 作者:fvhPHALo / 帖子ID:31042
已经超过光速了
那么距离观察者460亿光年的星系呢?
为什么宇宙的年龄是 130 亿年,而我们却能看到 470 亿光年远的东西?861 / 作者:fvhPHALo / 帖子ID:31042
妥妥的超了光速
一个光子被物体发射出后,在一个膨胀的宇宙中,它和发射它的物体之间的远离速度可以表示为: 为什么宇宙的年龄是 130 亿年,而我们却能看到 470 亿光年远的东西?987 / 作者:fvhPHALo / 帖子ID:31042
上式中,c是光速,H是Hubble Parameter(哈勃参数),x(t)是光子和发射它物体之间的距离。
稍微走一个变换:
为什么宇宙的年龄是 130 亿年,而我们却能看到 470 亿光年远的东西?563 / 作者:fvhPHALo / 帖子ID:31042
初始条件是x(0)=0,所以有:
为什么宇宙的年龄是 130 亿年,而我们却能看到 470 亿光年远的东西?958 / 作者:fvhPHALo / 帖子ID:31042
前面算过了,1Mpc(百万秒差)=3.26×10^(6) ly=3.085×10^(19) km,把哈勃参数的单位换成[1/s],那么:
为什么宇宙的年龄是 130 亿年,而我们却能看到 470 亿光年远的东西?824 / 作者:fvhPHALo / 帖子ID:31042
好了,我们知道了哈勃参数的数值,知道宇宙的粗略年龄138亿年,把已知条件带入x(t)的表达式中,可以得到:
为什么宇宙的年龄是 130 亿年,而我们却能看到 470 亿光年远的东西?90 / 作者:fvhPHALo / 帖子ID:31042
也就是231亿光年,但是这个数值比上面说到的可视化宇宙的半径460亿光年小得太多了,肯定不对,哪里错了呢?——因为宇宙早期的膨胀速率要大得多
所以用可观测宇宙的半径x(13.8Gy)=46Gly反推回去:
为什么宇宙的年龄是 130 亿年,而我们却能看到 470 亿光年远的东西?674 / 作者:fvhPHALo / 帖子ID:31042
根据 为什么宇宙的年龄是 130 亿年,而我们却能看到 470 亿光年远的东西?315 / 作者:fvhPHALo / 帖子ID:31042

估算出H:
为什么宇宙的年龄是 130 亿年,而我们却能看到 470 亿光年远的东西?638 / 作者:fvhPHALo / 帖子ID:31042
这就说明,有效哈勃参数(假设空间膨胀的速率跟大爆炸时候的一样)的数值是之前算出来的两倍还多。把这个哈勃参数带回到x(t)的表达式中:
为什么宇宙的年龄是 130 亿年,而我们却能看到 470 亿光年远的东西?166 / 作者:fvhPHALo / 帖子ID:31042
再把这两个式子(前一个有空间膨胀,后一个没有)单位归一化后作图,再清楚不过了: 为什么宇宙的年龄是 130 亿年,而我们却能看到 470 亿光年远的东西?378 / 作者:fvhPHALo / 帖子ID:31042

根据哈勃表达式,当时间为138亿年时,对应的可视化半径为460亿光年,修正成功!当然了,真正的计算要比我这个复杂的多。
以上参考:
How Can We See Galaxies 47 Billion Light Years Away When the Universe is Only 13 Billion Years Old?
The Hubble Deep Field:  The Most Important Image Ever Taken::DeepAstronomy.com
http://arxiv.org/abs/astro-ph/0310233
Observable universe
https://www.youtube.com/watch?v=XBr4GkRnY04
https://www.quora.com/profile/John-Taylor-132
Hubble's law
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
这里推荐一个视频,之前也有人推荐过了:https://www.youtube.com/watch?v=XBr4GkRnY04
Veritasium的很多视频都很精良。
有同学说链接挂了,这里补一个:煎蛋小学堂:我们对可观测宇宙的误解
online_member 发表于 2018-6-13 11:30:06 | 显示全部楼层
你的数据是正确的,可以不要理会 @沈一冰 的答案,他的数据是很普遍的誤解。[1]

我们现在看到的宇宙微波背景辐射,可以被认为是最早的光,是137亿年前发出的,稍微做一些修正可以作为宇宙的年龄。
但是要注意,宇宙在膨胀 [2]。我们说的距离,是同一时刻两个物体之间的距离。一艘船开过,10秒钟后你在岸上看到水波,你不能说船此时距离你10波秒,这是刻舟求剑。460亿光年就是考虑宇宙膨胀,修正后的距离 [3]。那个距离的天体发出光子的时候,离我们应该是4200万光年。
上面是最重要的。修正时还要注意,描述宇宙膨胀的哈勃定理中的距离是现在的距离 [4]。130亿年前的哈勃常数肯定很不一样,这个随时间的变化也要考虑进去。

关于超光速,这的确是伪超光速现象的一种 [5]。如果使用修正后的距离,很多星体远超光速远离我们。现在推断大爆炸初期膨胀速度更加夸张。
相对论中的速度是局域概念,不适用于大尺度 [6]。要计算大尺度的速度,需要测量局域的速度(满足相对论,不会超光速),然后加上宇宙膨漲的速度。这样算出来的光速都不一定是常数了。
严格的说,所谓宇宙膨胀,膨胀的是宇宙本身的測度(metric) [2],而不是星体的远离。靠谱的想象可以是一个正在被吹大的气球表面的点,他们本身没怎么动,但是因为其载体的膨胀而互相远离。
因此討論位置、速度、时间等概念,不能只考虑局部,忽略宇宙大尺度的结构和变化。

[1] http://en.wikipedia.org/wiki/Observable_universe#Size
[2] http://en.wikipedia.org/wiki/Metric_expansion_of_space
[3] http://en.wikipedia.org/wiki/Comoving_coordinates#Comoving_coordinates
[4] http://www.astro.ucla.edu/~wright/Dltt_is_Dumb.html
[5] http://en.wikipedia.org/wiki/Faster_than_light#Universal_expansion
[6] http://en.wikipedia.org/wiki/Comoving_distance#Uses_of_the_proper_distance
online_member 发表于 2018-6-13 11:30:06 | 显示全部楼层
宇宙膨胀是时空本身的膨胀速度,它可以比真空中的光速大很多,但是狭义相对论中的速度是指时空背景固定以后,相对于该背景的速度。137亿年前发出的光现在我们能看见,但是137亿年以后发光体的距离早就超出137亿光年了,我们看见的只是曾经的位置发出的光。。。
online_member 发表于 2018-6-13 11:30:06 | 显示全部楼层
几个高分的回答似乎都把问题弄得更复杂了,或许是因为都是COPY维基或QUORA等现成答案的缘故吧?其实CMB是BIG BANG发生以后38万年时的景观,当时的宇宙半径大约是4千多万光年。宇宙在经过137亿年时间的加速膨胀后,其空间的半径目前估计达到460亿光年。这个目前宇宙的半径是根据星系的红移推算出来的。换句话说,就是通过红移计算出宇宙的空间尺度如何从0.4亿多光年在137亿年的时间里膨胀到了460亿光年的。宇宙膨胀了大约1100倍。所以,在理论上我们“可以看到”460亿光年远的星系,然并卵。。。
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