宇宙年龄只有138亿年,为何我们能看到461亿光年远,这是悖论吗?

原标题:宇宙年龄只有138亿年,为何我们能看到461亿光年远,这是悖论吗?

如果大多数人都知道关于宇宙的一条规则,那就是任何存在的东西都无法超过的极限速度:真空中的光速。如果你是一个巨大的粒子,你不仅不能超过那个速度,而且你永远也达不到它,你只能接近光速。如果你没有质量,你别无选择;你在时空中只能以一种速度移动:如果你在真空中是光速,或者如果你在介质中,则速度会慢一些。你在空间中的运动越快,你在时间中的运动越慢,反之亦然。没有办法绕过这些事实,因为它们是相对论所基于的基本原理。

然而,当我们观察宇宙中遥远的物体时,它们似乎违背了我们对逻辑的常识性方法。通过一系列精确的观测,我们确信宇宙大约有138 亿年的历史。但到目前为止,我们所看到的最遥远的星系目前距离我们 320 亿光年,我们看到的最遥远的光对应于目前 461 亿光年外的一个点,而即使我们今天以光速发出信号,我们也永远无法到达大约 180 亿光年以外的星系

尽管如此,这些都没有打破光速或相对论定律,它只会打破我们对事物应该如何表现的直觉概念。

“没有什么能比光速更快”实际上意味着什么?

这是真的:没有什么能比光速更快。但这实际上意味着什么?大多数人听到它时,会想到以下想法:

a.当我观察一个物体时,我可以跟踪它的运动,观察它的位置如何随时间变化。

b.当我看到它时,我可以记录它观察到的位置和观察它的时间。

c.然后,通过使用速度的定义——它是距离的变化除以时间的变化——得到它的速度。

因此,无论是看大质量还是无质量物体,得到的速度永远不会超过光速,否则就会违反相对论。

这在我们的大多数常见经验中都是正确的,但并非普遍适用。特别是,所有这些都包括一个我们几乎从未考虑过的假设。比如在平坦的、不弯曲的、不变的欧几里得空间:当我们考虑我们的三维宇宙时,我们通常会想到的空间类型。我们大多数人都设想做一些事情,比如在我们所看到的一切之上放置一个三维“网格”,并尝试用一组四个坐标来描述位置和时间,每个坐标对应一个 x、y、z 和时间维度。

换句话说,我们大多数人都了解狭义相对论的基本概念——“没有什么能比光速更快”部分——但没有意识到真正的宇宙不能仅由狭义相对论准确地描述。相反,我们需要考虑到宇宙有一个动态的时空结构支撑它,而且只有物体在该时空中的运动才会遵守狭义相对论。

我们共同的概念中没有包含的是空间结构与这个理想化的、平坦的和三维网格的不同方式,在这个网格中,每个连续的时刻都由一个普遍适用的时钟来描述。相反,我们必须认识到我们的宇宙遵循爱因斯坦广义相对论的规则,而这些规则决定了时空如何演化。特别是:

a.空间本身可以膨胀或收缩;

b.空间本身可以是正弯曲或负弯曲,不仅是平坦的;

c.相对论适用于在空间中移动的物体,而不是空间本身;

换句话说,当我们说“没有什么比光快”时,我们的意思是“没有什么可以比光在空间中移动得更快”,但是物体在空间中的运动并没有告诉我们空间本身将如何演变。或者,我们只能断言,相对于时空中同一位置或另一个物体,没有什么比光移动得更快。

空间不会快速膨胀!

所以,没有什么能比光在空间中移动得更快,但是空间本身的变化方式呢?您可能听说过我们生活在一个膨胀的宇宙中,并且我们已经测量了空间结构本身膨胀的速率:哈勃常数。我们甚至准确地测量了这个速度,并且可以确定,从我们进行的所有测量和观察中,今天的膨胀速度正好在 66 到 74 km/s/Mpc 之间。

但空间在扩大意味着什么?

对于距离我们每百万秒差距(约 326 万光年)一个遥远且未绑定的物体,我们会看到它从我们身边退去,就好像它以相当于 66-74 公里/秒的速度离开一样。如果某物距离我们 20 Mpc,我们预计它会以相当于 1320-1480 km/s 的速度离开我们;如果它在 5000 Mpc 之外,我们预计它会以大约 330000-370000 km/s 的速度离开。

但这令人困惑有两个原因。第一,它实际上并不是以那种速度在空间中移动,而是物体之间的空间扩大的效果。第二,光速是 299792 公里/秒,那么距离我们约 5000 Mpc 的假设物体不是实际上以超过光速的速度远离我们吗?

对这个问题,科学家喜欢用“葡萄干面包”模型来思考膨胀的宇宙。想象一下,你有一面包,里面全是葡萄干。现在想象面包发酵,向各个方向扩展。如果你将手指放在一个葡萄干上,您会看到其他葡萄干在做什么?

a.离你最近的葡萄干看起来会慢慢地远离你,因为它们之间的面包会膨胀。

b.离得越远的葡萄干看起来会走得更快,因为它们和你之间的面包比离得近的葡萄干要多。

c.离得更远的葡萄干似乎会越来越快地离开。

在这个类比中,葡萄干就像星系或绑定的星系团/星系团,而面包就像膨胀的宇宙。但在这种情况下,代表空间结构的面包不能被看到或直接检测到,实际上并没有随着宇宙的膨胀而变得不那么稠密,而只是为葡萄干或星系提供了一个“舞台”来承载。

而膨胀率取决于给定空间体积中“物质”的总量,因此随着宇宙膨胀,它会稀释并且膨胀率下降。虽然随着宇宙体积的增加而膨胀,物质和辐射变得不那么密集,但暗能量是空间本身固有的一种能量形式,随着在膨胀的宇宙中创造出新的空间,暗能量密度保持不变。

那么是什么决定了宇宙膨胀中的“距离”呢?

当我们谈论到宇宙膨胀中一个物体的距离时,我们总是在拍摄宇宙快照——一种“上帝的视角”——在这个特定的时间点上事物的状态:当这些遥远物体发出的光到达。我们知道,我们看到的这些天体是遥远过去的样子,而不是今天的样子——大爆炸后大约 138 亿年——而是它们发出今天到达的光时的样子。

但是当我们谈论“这个物体有多远”时,我们并不是在问它发出我们现在看到的光时离我们有多远,我们也不是在问光已经多久了在途中。相反,我们要问的是,如果我们现在能以某种方式“冻结”宇宙的膨胀,那么这个物体在这一刻离我们有多远。观测距离最远的星系 GN-z11,在 134 亿年前发出了现在到达的光,距离我们约 320 亿光年。如果我们能一直看到宇宙大爆炸的那一刻,我们将看到 461 亿光年之外,如果我们想知道最遥远的物体,它的光还没有到达我们,但总有一天会,目前距离我们约 610 亿光年:未来的能见度极限。

但是,仅仅可以看到,并不意味着可以到达它。目前距离我们超过 180 亿光年的任何物体仍会发光,并且这些光会穿过宇宙,但空间结构只会无情地膨胀,以至于无法到达我们。随着每一刻的流逝,每个未绑定的对象都会移动得越来越远,而以前可以到达的对象会越过该标记而变得永远无法到达。所以在宇宙的膨胀中,没有什么比光速更快。

如果您喜欢这篇文章,请为它点赞,更多精彩文章,请关注我。和光万物:有料有趣的科普!返回搜狐,查看更多

责任编辑: