现代物理学和宇宙学告诉我们,宇宙的年龄是138.2亿年,这是大爆炸理论结合普朗克卫星观测数据给出的精确答案,爱因斯坦证明了光速是宇宙的速度上限,没有任何物质或信息的传播速度能超过每秒30万公里。
按照最朴素的逻辑,既然宇宙只诞生了138亿年,哪怕大爆炸那一刻光就开始向四面八方狂奔,它最多也就跑了138亿光年,那么以地球为圆心,宇宙的可观测半径应该是138亿光年,直径应该是 276亿光年。
这听起来无懈可击对吧?
但教科书上赫然写着一个令人瞠目结舌的数字:可观测宇宙的直径约为930亿光年,这多出来的600多亿光年是从哪冒出来的?难道爱因斯坦错了?难道光速限制失效了?还是说宇宙在跟我们耍流氓,偷偷修改了地图数据?
今天我们要揭开这个不仅关乎距离,更关乎“空间本质”的终极谜题,看完这篇文章,你不仅会明白这930亿光年是怎么来的,还会彻底颠覆你对“距离”这个词的理解。
我们之所以会算出“276亿光年”这个错误答案,是因为我们的大脑被生活经验欺骗了,我们默认了一个前提:宇宙是静态的,或者说宇宙像是一个固定的舞台,星系像是在舞台上奔跑的演员,如果你把大爆炸想象成一颗手雷在空地上爆炸,星系向四周飞散,那你的逻辑是没问题的,弹片飞得再快也不能超过光速,所以在138亿年里,它们确实飞不出多远。
但残酷的真相是:大爆炸不是一场爆炸。
这是一个很难纠正的观念,大爆炸并不是物质在空间中的爆炸,而是空间本身的急剧膨胀,想象你在一个没吹气的气球表面画了两只蚂蚁,一只代表地球,一只代表遥远的星系,现在你开始吹气球,这两只蚂蚁并没有在气球表面爬行,但它们之间的距离却在飞速拉大。
是因为它们跑得快吗?
这是因为承载它们的橡胶皮在延展,这就是爱因斯坦广义相对论的核心推论:空间不是死寂的空无,而是一种可以弯曲、拉伸、膨胀的实体,理解了“空间膨胀”,我们就可以破解这930亿光年的来历了,这其实是一场发生在光与空间之间的、极不公平的赛跑。
让我们把时钟拨回到130多亿年前。
假设在那个极早期的宇宙中,有一个年轻的星系,它发出了一束光,目标是未来的地球,在它发出光的那一刻宇宙还很小,实际上它离我们当时的位置可能只有 4200万光年。
问题出在膨胀上,这束光刚跑了一年,也就是跑了1光年的距离,按理说它离我们近了1光年,但是在这一年里,地球和它之间的空间伸长了,这就像光在跑步机上跑步,虽然它拼命向前冲,但脚下的跑带却在向后退。
在宇宙早期,膨胀的速度极其恐怖,甚至超过了光速,所以这束光在最初的几十亿年里,处境非常悲惨:它明明在向地球飞,但离地球却越来越远,因为它前方需要穿越的空间,生长出来的速度比它奔跑的速度还要快。
好在随着时间推移,宇宙膨胀的速度稍微慢了下来,这束顽强的光终于开始缩短与地球的距离,经过了整整138亿年的长途跋涉,这束光终于在这个瞬间撞上了你的视网膜,或者落入了韦伯望远镜的镜片里。
现在重点来了:这束光确实在路上跑了138亿年,这一点没错,但是当我们收到这束光时,那个发射它的星系去哪了?
在这138亿年里,光在跑,那个星系也没闲着,它随着空间的膨胀,一直在向反方向“后退”,而且因为它距离我们越远,中间隔着的膨胀空间就越多,它的退行速度就越快,当我们今天终于看到它130多亿年前发出的“婴儿照”时,它现在的真身,早已被宇宙的膨胀流裹挟到了距离我们 465亿光年之外的地方。
这465亿光年,就是所谓的“共动距离”,以地球为球心往任何方向看,最远能看到的光源,现在都已经退到了465亿光年之外,半径是465亿,直径就是930亿。
所以这930亿光年不是光跑过的距离,而是那个发光的物体现在实际所在的位置,我们是在看它的“过去”,而它“现在”早已远在天边。
现在你可能会敏锐地发现一个漏洞:宇宙膨胀的速度超光速了,爱因斯坦错了?
这是一个极其常见的误解,爱因斯坦的狭义相对论说“光速是不可超越的极限”,这句话有一个严格的前提:在同一参考系下的物质运动,或者信息传递,简单说你不能在空间里开飞船超过光速,你也不能把子弹加速到光速。
但是空间本身的膨胀不在此列,空间不是物质,也不携带信息,空间的膨胀,是坐标系的改变,而不是物质在坐标系里的运动,在宇宙学中,哈勃定律告诉我们:距离越远,退行速度越快,一旦距离超过某个临界点,星系远离我们的速度就会超过光速。
事实上我们观测到的那些最古老的星系,目前都在以超光速远离我们,但这不违反物理定律,因为那是空间的把戏,并且可观测宇宙只是我们能看到的极限,是我们这个“宇宙泡泡”的边界。
在这个边界之外呢?
肯定还有东西,还有无数的星系,无数的恒星,但它们发出的光,因为距离太远,且中间的空间膨胀速度太快,导致这些光永远无法追上地球,这就像一个人在传输带上奔跑,传输带向后退的速度是10米/秒,而他只能跑5米/秒,他永远也跑不到终点。
这就引出了一个令人细思极恐的结论:宇宙的大小很可能是无限的,即便不是无限,也一定远远大于930亿光年,根据牛津大学的一项研究推测,整个宇宙的实际大小,至少是可观测宇宙的250倍以上。
我们就像是被困在茫茫大海中一艘小船上的观察者,我们的望远镜只能看到地平线,我们以为那就是世界的尽头,但实际上,地平线之外还有广阔得无法想象的海洋。
理解了这一切,你会发现一个让人悲伤的事实,宇宙不仅在膨胀,而且在加速膨胀,这意味着,那些目前在930亿光年边缘的星系,正在加速离我们而去,它们发出的光,将越来越红移,越来越微弱,直到最终彻底消失在我们的探测能力之外。
如果我们能活到几千亿年后,那时的天文学家将面临一个极其无聊的宇宙,除了银河系所在的本星系群之外,所有其他的河外星系,都将飞出我们的“视界”。
那时的夜空将变得空荡荡的,未来的文明可能会以为,整个宇宙只有银河系这一个岛屿,周围是一片死寂的黑暗,他们将永远无法知道,曾经有一个叫做“大爆炸”的时刻,曾经有930亿光年那么壮丽的繁华。
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