宇宙年龄 138 亿年，宇宙直径 930 亿光年，光速最快，这跟 ...

liuyp1

憋了很多年的问题

ai2017

不能超光速的严格且准确的表述是，有质量粒子走类时线，无质量粒子走类光线。只要满足这两条，物理上定义的“速度”超不超光速都无所谓，并不破坏时空的因果结构。
尺度因子a(t)可以超光速是因为它并不破坏时空的因果结构。这种超光速的速度是允许的。
至于a(t)具体怎么演化，这是由宇宙中的物质组分决定的。

邱建华

因为有暴涨理论

精诚通潭

（删掉不礼貌的吐槽）我来强答一波。

光速是物体运动的速度极限。
宇宙膨胀是物体与物体之间距离在变远，即使物体本身没有运动。
普通人很容易想当然的认为宇宙大爆炸就是物质从宇宙中心运动到宇宙边缘，因为运动速度不能超过光速，所以宇宙半径不能超过光速×宇宙年龄。
实际情况是，宇宙大爆炸物质相互远离的主要贡献不是运动，而是物质之间空间的膨胀。这个膨胀速率与光速无关。
综上，不矛盾

（ps实际宇宙的大小可能比可观测宇宙大得多得多，甚至可能是没有边界的）
--------------补充---------------------------------
关于空间膨胀速度到底怎么理解，我们可以做一个思想实验。
假设宇宙中空间的膨胀是处处均匀的，假设膨胀系数是一个定值。
为了便于理解，假设每1m的距离经过1s之后增加了1m，变成了2m。
有两个物体A和B相距1m，并且二者相对静止，没有运动。经过了1s，AB的距离变成了2m，在观察者看来，A与B在这1s之内以1m/s的平均速度远离对方。
假设A与C相距1000m，同样二者没有运动。但二者之间有1000个1m，经过1s之后，二者的距离增加了1000个1m，A与C在这1s内以1000m/s的平均速度远离对方。
总结一下，距离越远的物体，因为空间膨胀，相互远离对方的速度就会越快。
如果两个物体距离为1000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000m，那么他们远离对方的速度就远远超过光速。所以宇宙膨胀到多大都没有必要震惊。题主给出的宇宙半径是可观测宇宙的半径，实际宇宙半径肯定远远超过这个值。
对于在地球上的观察者，如果有个物体离我们远去的速度超过光速，那么我们就永远无法获取它的信息（因为信息的传播速度上限也是光速），那么这个物体对我们来说就不属于可观测宇宙。

冰下的火圆

题主这个问题很好，我以前也曾困扰过。按照宇宙中光速最快的前提，宇宙诞生了138亿年，为什么我们却能看到465亿年外呢？
这个465亿年是哪里来的呢？
有基本科学素养的人，遇到一个量，首先会想一个问题：“这个是怎么测（算）出来的？”


<hr/>哈勃发现众多遥远星系都在相对于地球退行，而且越遥远的星系退行速度越大，这意味着宇宙正在膨胀。爱因斯坦在证据面前低下了头，放弃了他在宇宙常数上的工作。下两图为1931年，爱因斯坦前往威尔逊山天文台，感谢哈勃为现代宇宙学提供了观测基础。




根据遥远星系退行速度（v）和距离（d）是线性的比例，我们可以得到一个哈勃常数（H或H0）的概念，数学式如下：


现在测得哈勃常数的值约为：70（km / s）/ Mpc。（量纲为s^-1）
通过哈勃常数可以粗略估计宇宙的年龄：哈勃常数的倒数——哈勃时间。
比如以前测得H0=69s^-1，则可算出哈勃时间约为145亿年。很简单的，如下图，一个除法搞定，然后就是单位换算了。



这只是一个例子，预知后事如何，继续往下看

但我们的宇宙并不是仅有稀稀落落的星光，更是弥散着暗物质和传说中的暗能量。必须考虑到它们的能量密度，所以现代的标准宇宙学模型也叫作ΛCDM模型，Λ（Lambda）就是暗能量，CDM就是cold dark matter（冷暗物质）。所以宇宙年龄必须要根据下面的式子修正：（其中F是校正因子，括号里的三个参数Ωr，Ωm，ΩΛ分别为常见物质、暗物质、暗能量的密度分数）


好了，到了实操阶段了，Ωr，Ωm，ΩΛ究竟是多少，还得靠观测说了算。最早的微波背景辐射对前两者的测量还凑合，对暗能量就力有不逮了。
2012 年，威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）公布了为期9年的数据，可计算得宇宙年龄为：（13.772 ± 0.059）× 10^9年。


2015年，根据WMAP的继任者、清晰度更高的普朗克卫星的数据，可计算得到宇宙年龄为：（13.799 ± 0.021）× 10^9 年。这是人类获得的最精确的宇宙年龄的数据，也是我们现在一般使用的最可信的最具说服力的宇宙年龄数据。


所以啊，我们宇宙年龄138亿年是基于一步步的观测数据而计算出来的，也许这个数字以后还将会变得更加精确。
具体的计算公式我也不太懂，大致上，根据不同的Ωm，ΩΛ值，也就是宇宙中的暗物质和暗能量的密度，可以在下图中拟合出不同的曲线，根据观测，我们的宇宙是其中的紫线，可以看出：
1，总结过去，我们的宇宙诞生于约138亿年前。
2，展望未来，我们的宇宙将继续膨胀下去，等待我们的将是大撕裂。
3，其他类型的宇宙也挺有意思，比如蓝色的德西特宇宙，就是没有起始点的宇宙。而青色的闭合宇宙，起源于60亿年前，也将在一百多亿年后以大坍缩的形式终结。


<hr/>好了，宇宙年龄怎么来的我们大致上是知道了，那么可观测宇宙的直径是怎么来的呢？
我们都知道宇宙从大爆炸一个原点开始，就开始加速膨胀，好比吹气球。空间在膨胀，这个速度是可以超过光速的。


那么138亿年后，我们现在能看到的范围有多少呢？
这似乎是一道小学奥数题，越远的星体退行速度越快，那么我能看到的范围一定有一个极限，因为当它们的退行速度超过光速以后，我们就永远看不到它们了。但也不是一个简单的138亿光年，因为现在比138亿光年远的地方，它们之前可没那么远啊。
其实啊，要解决这个问题，依靠小学奥数水平远远无法解决。可以通过一个积分的数学处理，这个说难不难说简单也不简单，如下，看不懂的领会我上面的精神即可。


这样的话，理论上我们应该能看到138*3=414亿光年以外的范围。
和计算宇宙年龄一样，也必须考虑到宇宙的暗物质和暗能量密度，根据现有宇宙模型修正后的数字为465亿光年。（可观测宇宙半径）


<hr/>可观测宇宙之外是什么呢？整个宇宙还有多大呢？
这已经很难依靠现有的观测数据了，甚至严谨的说，连宇宙是有限的还是无限的也不能下定论。不同的理论有不同的估计，我们仅仅列举几种比较有名的。
1，1998年，Alan H.Guth根据暴涨理论，假设暴涨发生在大爆炸之后大约10^-37秒，那么可以假设发生暴涨之前，宇宙的大小约等于光速乘以其年龄的乘积，这表明目前整个宇宙的大小至少是可观测宇宙半径的3x10^23倍。
这似乎是一个天文数字了。


2，2006年，Susskind反对霍金的无边界假说（宇宙是有限无边的）发表论文，表示整个宇宙的大小大约为10的10的10的122次方秒差距。（1秒差距≈3.262光年）
这个就更加离谱了！


3，也有比较保守的。2011年，英国科学家Mihran Vardanyan，Roberto Trotta和Joseph Silk等人的一项研究表示，整个宇宙的大小约是可观测宇宙体积的251倍。这篇文章被发表于杂志《universetoday》上。


如果还要追问整个宇宙真正多大，可能要等我们掌握超光速技术才行了。
1000年内能发明出曲率引擎吗？<hr/>PS：有人提到整个宇宙半径为24万亿光年是不正确的。
这可能来自一个误解：
2004年，Neil J. Cornish, David N. Spergel, Glenn D. Starkman, and Eiichiro Komatsu等人发表的论文显示：根据WMAP第一年的数据，能够排除我们生活在一个直径小于24 Gpc的球形空间里的可能性。
2012年，他们已经把这个数字调整为26Gpc。
24Gpc其实是240亿秒差距，对应于780亿光年。（G是十亿，pc是秒差距的意思）这个780亿光年的数字在很多地方都被引用。


参考：
1，https://wmap.gsfc.nasa.gov/universe/uni_age.html
2，http://www.astro.ucla.edu/~wright/cosmology_faq.html#DN
3，https://en.wikipedia.org/wiki/Universe#Size_and_regions
4，https://en.wikipedia.org/wiki/Observable_universe#Size
5，https://en.wikipedia.org/wiki/Age_of_the_universe
7，https://en.wikipedia.org/wiki/Lambda-CDM_model
8，https://en.wikipedia.org/wiki/Hubble%27s_law#Observed_values_of_the_Hubble_constant
9，https://www.sciencepagenews.com/2019/08/27/hubble-constant-shows-something-is-fundamentally-wrong-with-our-conception-of-the-universe/
10，https://archive.org/details/inflationaryuniv0000guth
11，https://arxiv.org/abs/hep-th/0610199
12，https://www.universetoday.com/83167/universe-could-be-250-times-bigger-than-what-is-observable/
13，https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.92.201302