为什么宇宙年龄138亿年，宇宙直径却有930亿光年？

赤脚晓涛

宇宙到底有多大？多少岁？这是仰望星空的人常爱问的两大问题。
但刚开始接触宇宙学的人，很可能遭遇一种困惑：一方面得知宇宙年龄有138亿年，另一方面却被告知宇宙最大直径高达930亿光年，这不是自相矛盾吗？
因为按照这些人的理解，从宇宙大爆炸一直到现在138亿年，科学家们一定是找到了确切证据——大爆炸产生的光子，经过漫长的138亿年飞行，终于被我们发现了。（这就像考古学家发现了霸王龙化石，进而确定它们曾生活在6700万～6500万年前一样。）
但，与此同时，科学家又在斩钉截铁地告诉我们：宇宙最大直径竟有930亿光年，也就是说，以地球为中心的可观测宇宙半径有465亿光年。




这么看来，宇宙创世之初——大爆炸最早诞生的光子，飞到现在不是才138亿年吗？为什么科学家竟然会发现465亿光年之外的星体呢？就是说为什么能够发现飞行了465亿年的星光呢？
这不是再明显不过的自相矛盾嘛？！到底科学家集体发昏？还是另有真相？
这的确是个有趣又有料的好问题。科学家告诉我们这两个数据其实没毛病，有毛病的是我们理解有误，以及读书太少。
没耐心刷屏的，一句话告诉你答案，这是宇宙膨胀搞的鬼。
没看懂？那就看一个简单的比喻吧——
你现在走在机场的步行直梯上，匀速向前走，相对于步行直梯的步行速度是1米/秒。10秒后，你认为自己走了10米，但在旁边的观察者看来，你已经大大超过了10米，因为你走、直梯也在走，这是你跟步行直梯一起前行的结果！
同样道理，代表宇宙年龄的光子，尽管飞行时间是138亿年，却能够跨过465亿光年。都是因为宇宙膨胀造成的！懂了吧。


但问题来了，这不是大大超过了光速吗？传说中的超光速真实存在吗？宇宙年龄和大小到底是怎样测量出来的？宇宙膨胀又是怎么测量的？
有耐心想知道「知其所以然」的，请看——
先来说说宇宙年龄。

事实上，测定宇宙年龄，并不是像有人想当然的那样，跟发现霸王龙化石一样，科学家找到了宇宙大爆炸的最初影像资料。




按照大爆炸理论，这是不可能的。因为从宇宙大爆炸开始，大概30万年后，宇宙最早一批原子才开始诞生；大概35万年（也有称38万年的），光子才开始在宇宙中向四面八方传播，此时整个宇宙直径只有1亿光年。
这些最初的光子，一路飞越到现在，就是我们今天探测到的宇宙微波背景辐射，简称CMBR。可以说是宇宙大爆炸的余波，也可以说是「宇宙的第一束光」或者「婴儿宇宙快照」。
这样的话，只要测得CMBR越精确，确定的宇宙年龄也就越接近。




从最早美国两位工程师通过射电望远镜——意外发现；
到1992年NASA发射宇宙背景探测者（COBE）——主动探测；
再到2003年NASA发射第二代宇宙微波背景探测器（WMAP）和2009年欧空局ESA发射普朗克卫星——深度探测；
再加上哈勃太空望远镜和一大波地面天文台的数据共享／互补对照……
经过半个世纪的不断努力，最新测定的宇宙年龄——137.98±0.37亿年，一般简化成138亿年。
再说说宇宙大小。





通常说的930亿光年，是指可观测宇宙的直径。
什么又是可观测宇宙？简单来说，就是以观测者为中心所能观测到的宇宙范围。言外之意，可观测宇宙只是整个大宇宙的一部分。从宇宙大尺度来说，不同观测者的可观测宇宙范围也不同。
以我们为例，人类目前的可观测宇宙其实是个球体——一个以465亿光年为半径的巨巨巨型球体。球体外面是什么？可观测宇宙之外是什么？其实还是大宇宙的一部分，只不过是我们还没能力观测到。
目前已知的这个半径又是怎么来的？

其实，并不是我们观测到了距离地球465亿光年之外的星体。


▲目前为止人类观测最远的星系——GN-z11，根据哈勃望远镜的测定，它的年龄高达134亿年，距离我们大约320亿光年。此处——又一个年龄与距离高度不符，到底咋回事？等下你就懂了。
测量可观测宇宙半径465亿光年，其实，我们还是根据测定CMBR——宇宙微波背景辐射——粒子的红移量，得到了共动距离，大约是465亿光年，这就是可观测宇宙半径。
等等，红移量、共动距离又是什么？
先说距离

宇宙学中经常使用的有三种距离：光行距离、固有距离、共动距离。
光行距离最为我们大众所理解，就是用光飞行的时间来衡量距离。光行距离有一个前提就是不考虑宇宙膨胀。为了使用方便，光行距离派生出「光行时间」——光行这段距离所需的时间，有时也被称为「回溯时间」。事实上，宇宙年龄138亿年，也可以说是光行时，或者说回溯时间是138亿年。
再比如，我们说牛郎织女星相距16光年，也就是指它们之间的距离需要光飞行16年，光行距离16光年，光行时／回溯时间16年。
但如果考虑宇宙膨胀，前面说过的观测到最远星系——距离我们320亿光年，事实上就没那么简单了。因为在光行320亿年的这段时间里，整个宇宙是在不停地膨胀。所以，要想测定星体的真实距离，还需要考虑宇宙在这么长的时间里到底膨胀了多少？
再简单说下，宇宙膨胀——这是从大爆炸开始就从未消停地「宇宙大动作」。最早被大名鼎鼎的哈勃发现，建立了宇宙膨胀理论，形成了哈勃定律、哈勃常数、退行速率、红移量等等。如今已成为宇宙学最热门的研究领域之一，因为它决定了很多重要命题。在这里，你只要能理解这个比喻就好——




宇宙膨胀的道理，就像葡萄干面包一样，放进烤箱里烘烤时，面包会从小变大的膨胀，不管是面包表面还是里面的葡萄干，在这个膨胀过程里，都会相互远离。
现在，科学家对宇宙的观测结果正好与此吻合，所有星系都在远离我们！葡萄干都在相互远离！科学家把这种远离我们的宇宙膨胀速度，也叫退行速度，相对我们来说这些星系都在退行。又因为这个速度是根据光谱红移现象测量的，所以引入一个「红移」概念。这个我们后面再说。
我们有了宇宙膨胀的概念后，你就能理解「共动距离」了。共动距离的「共动」，到底是谁跟谁共动？
其实是测量宇宙距离的量天尺，跟宇宙膨胀一起共动——共同膨胀。这种想象出来的量天尺，测量出的距离就是共动距离，也有叫同移距离的。这就意味着，测出来的仍是膨胀前的数值，所以，共动距离是一个固定值。
可观测宇宙半径为465亿光年，就属于共动距离。


为什么此处要采用共动距离呢？
其实，这正是科学的严谨说法。你想想，宇宙时时刻刻都在加速膨胀，而且膨胀速度很惊人，越来越多的星系在远离我们，最终变成不可观测。所以，对于这种动态的宇宙来说，最妥当的说法就是采用共动距离——这个固定值，描述可观测宇宙的尺度，和宇宙一起膨胀，不随时间变化，更适合描述这个加速膨胀的宇宙大小——半径465亿光年的巨型球体。
跟共动距离概念——正好相反的是「固有距离」，一种随宇宙膨胀而变化的距离，相当于使用一把固定不变的量天尺，去测量膨胀中的宇宙距离。也就是说，这是一个随时间变化而变化的数值，当然这是一个理想值。
尽管固有距离实际上无法测量，但在科学家眼里却是一种最接近真实距离的概念。于是，科学家找到一种替代方案，这就是红移量。




所谓红移，就是光子辐射的波长，随着宇宙膨胀会被拉长，从光谱蓝色的短波移动到红色的长波，因而形成了红移现象。
红移是一个很直接的量，因为直接观测，就能得出数值。一束光的红移，就是遥远星光的观测波长—真实波长，再与真实波长的比值。






请记住，红移量是我们谈论宇宙尺度、星体距离时，唯一能够明确的测量值，而其它比如光行距离、共动距离、回溯时间，都是派生出来的量。至于这些量之间是如何换算的，要涉及到一堆数学公式，还是就此略过。
对我们来说，最简单最有用的就是一张对照表——回溯时间、光行距离、共动距离、红移量、膨胀速度之间关系的对照表，足够用了。






我们可以很清晰查到：当宇宙年龄是138亿年（回溯时间）时，所对应的共动距离是465亿光年，红移量是100。
再比如，最远星系GN-z11的回溯时间，即星系年龄134亿年，对应的共动距离就是320亿光年。而这些数值也都是通过测量——从这个星系发出光子的红移量换算出来的。
我们懂得了回溯时间、共动距离、红移量之间的关系，是不是一下子豁然开朗了不少？




最关键的问题来了：宇宙回溯时间／光行时间是138亿年，共动距离却是465亿光年，这不是大大超过了光速吗？不是正好说明因宇宙膨胀造成的超光速现象吗？
可以肯定的是，我们还没有发现任何「超光速的光」。光的最高限速还是30万公里／秒，无法自我突破或者借助外力超越。




至于说，宇宙第一束光——宇宙微波背景辐射，在138亿年里跨越了465亿光年，大大超过了137亿年的光行距离。读懂上面我所说的，其实就该弄懂了——绝不是宇宙第一束光超越了光速，而是宇宙加速膨胀使得第一束光看起来好像超光速，这不过是我们作为观测者，看到的一种观察效应。
细心的人从上面那张表也会发现，第二栏v/c退行速度与光速比值最大就是1，并不存在超光速的现象。


这就像我在前面列举「你在步行直梯上行走」的栗子，你的速度就是步行速度，但因为要加上步行直梯本身的运行速度，在观察者看来，你的步行速度和步行距离，的确已经超过了旁边没有搭乘直梯的人。但是，我们并不能就此得出结论：你的速度超越了人类步行的最高速度，你已经变成了超人！






总之，我们大可不必担心／期望可观测宇宙存在超光速的光，作为本宇宙的最快信使——光信使已经是最高限了，这是由宇宙法则决定的。

作者：一点资讯