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为什么宇宙年龄130 亿年,而我们却能看到 470 亿光年远的东西?

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发表于 2018-9-14 21:03:47 | 显示全部楼层 |阅读模式
为什么宇宙年龄130 亿年,而我们却能看到 470 亿光年远的东西?18 / 作者:ananokok / 帖子ID:41509,155739




麻烦来个
通俗解释


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。


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


问题要求的是一个通俗的解释
那么这么来看

为什么宇宙年龄130 亿年,而我们却能看到 470 亿光年远的东西?3 / 作者:ananokok / 帖子ID:41509,155739




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,想象一下路(注意,是路)膨胀
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·····:



为什么宇宙年龄130 亿年,而我们却能看到 470 亿光年远的东西?64 / 作者:ananokok / 帖子ID:41509,155739






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







为什么宇宙年龄130 亿年,而我们却能看到 470 亿光年远的东西?38 / 作者:ananokok / 帖子ID:41509,155739






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



为什么宇宙年龄130 亿年,而我们却能看到 470 亿光年远的东西?95 / 作者:ananokok / 帖子ID:41509,155739




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
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)



为什么宇宙年龄130 亿年,而我们却能看到 470 亿光年远的东西?20 / 作者:ananokok / 帖子ID:41509,155739




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







为什么宇宙年龄130 亿年,而我们却能看到 470 亿光年远的东西?34 / 作者:ananokok / 帖子ID:41509,155739




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





为什么宇宙年龄130 亿年,而我们却能看到 470 亿光年远的东西?75 / 作者:ananokok / 帖子ID:41509,155739




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





为什么宇宙年龄130 亿年,而我们却能看到 470 亿光年远的东西?4 / 作者:ananokok / 帖子ID:41509,155739




图片来自https://www.youtube.com/watch?v=XBr4GkRnY04
可观测宇宙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
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)
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
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





为什么宇宙年龄130 亿年,而我们却能看到 470 亿光年远的东西?16 / 作者:ananokok / 帖子ID:41509,155739




已经比较接近光速





为什么宇宙年龄130 亿年,而我们却能看到 470 亿光年远的东西?50 / 作者:ananokok / 帖子ID:41509,155739






那么距离观察者200亿光年的星系的远离速率





为什么宇宙年龄130 亿年,而我们却能看到 470 亿光年远的东西?79 / 作者:ananokok / 帖子ID:41509,155739






已经超过光速了
那么距离观察者460亿光年的星系呢





为什么宇宙年龄130 亿年,而我们却能看到 470 亿光年远的东西?28 / 作者:ananokok / 帖子ID:41509,155739






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





为什么宇宙年龄130 亿年,而我们却能看到 470 亿光年远的东西?54 / 作者:ananokok / 帖子ID:41509,155739




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





为什么宇宙年龄130 亿年,而我们却能看到 470 亿光年远的东西?6 / 作者:ananokok / 帖子ID:41509,155739






初始条件是x(0)=0,所以有





为什么宇宙年龄130 亿年,而我们却能看到 470 亿光年远的东西?42 / 作者:ananokok / 帖子ID:41509,155739






前面算过了
1Mpc(百万秒差)=3.26×10^(6) ly=3.085×10^(19) km
哈勃参数的单位换成[1/s]
那么





为什么宇宙年龄130 亿年,而我们却能看到 470 亿光年远的东西?96 / 作者:ananokok / 帖子ID:41509,155739




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
已知条件代入x(t)的表达式
可以得到





为什么宇宙年龄130 亿年,而我们却能看到 470 亿光年远的东西?19 / 作者:ananokok / 帖子ID:41509,155739




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





为什么宇宙年龄130 亿年,而我们却能看到 470 亿光年远的东西?54 / 作者:ananokok / 帖子ID:41509,155739






根据





为什么宇宙年龄130 亿年,而我们却能看到 470 亿光年远的东西?10 / 作者:ananokok / 帖子ID:41509,155739






估算出H





为什么宇宙年龄130 亿年,而我们却能看到 470 亿光年远的东西?76 / 作者:ananokok / 帖子ID:41509,155739






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
把这个哈勃参数代回到x(t)的表达式





为什么宇宙年龄130 亿年,而我们却能看到 470 亿光年远的东西?23 / 作者:ananokok / 帖子ID:41509,155739






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

为什么宇宙年龄130 亿年,而我们却能看到 470 亿光年远的东西?14 / 作者:ananokok / 帖子ID:41509,155739




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。

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本文选自:今日头条
发表于 2018-9-14 21:04:42 | 显示全部楼层
什么乱七八糟的,这是凭字数让网站付稿费吗?尼玛光速是固定的,而空间在膨胀,距离也就变远了,138亿年能跑出460亿光年的距离吗?
发表于 2018-9-14 21:05:12 | 显示全部楼层
简单来说,就是空间膨胀速度超过光速。
举个例子,一张一米长的纸,一个人拿一支笔画一条直线,速度每秒一米(假设这是这张纸上最快的速度),纸张扩展的速度是每秒四米。那么时间一秒,纸张四米,而光只走了一米远。
这个是验证宇宙大爆炸的比较重要的因素,另一个要素是3k背景辐射,不过这一切都是猜测。如果想搞全新的理论,得先能解释这些东西。
发表于 2018-9-14 21:05:30 | 显示全部楼层
就是说宇宙两边的相对速度已经超光速了,爱咋咋地。
发表于 2018-9-14 21:06:11 | 显示全部楼层
一个都看不懂,却看完了
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