为什么可观测宇宙的半径是465亿光年？
路平2019-07-11 15:01
我相信肯定有蛮多人都有同样的疑问，明明从大爆炸至今才138.2亿年的时间，光在能跑也就是138.2亿光年，可为什么可观测宇宙达到465亿光年，直径约为930亿光年了呢？
其实这是一个非常复杂的问题，我们要拆解开来看。
首先，宇宙大爆炸之后，到底是什么膨胀了？换句换说，我们要搞清楚光速不变原理是对谁来说的？
直接给出结论吧，在爱因斯坦相对论的基本假设中，光速不变原理的是对物质、信息、能量来说的。但是，宇宙大爆炸之后发生膨胀的其实是空间，空间是不受光速限制的，也就是说，空间可以超光速膨胀。事实上，也确实如此，在宇宙大爆炸的第一秒内，发生了大暴胀，空间在10^-33秒内，完成了100次加倍，宇宙空间膨胀到原来尺寸的10^33倍。如果类比一下，你可以这么想象，把当时的宇宙空间看成是一粒沙子那么大，然后扩大到可观测宇宙那么大（直径930亿光年），然后再把可观测宇宙看成一粒子沙子，再扩大到可观测宇宙那么大。所以，大暴胀其实是超乎一般人想象的那种大规模地膨胀，而且极其迅速，远远超过光速。
其次，距今大概40亿年前，宇宙中，暗物质开始占主导，宇宙开始加速膨胀，在很多地方，宇宙空间膨胀的速度相对于我们而言早就远远超过光速，换句话来说，这些地方，我们可能永远也看不到了，因此光在空间中退行的速度，比自身运动的速度还要快很多。所以，空间超光速是没有问题的。
这里还要强调一下，宇宙的膨胀是整体的膨胀，各部分的膨胀效应是相同的。所以在大尺度上（10^8光年的尺度上），星系之间的间距是在彼此远离的。
弄清楚了这点，我们再来把可观测宇宙讲清楚。我们可以试想一下，假设在宇宙正在膨胀，但光波还朝着地球的发现传播，这就好比一个人在机场直行电梯上，朝着反方向在走。这个电梯就好比膨胀的空间，这个人就好比光波。所以，即使这个人走到了你面前，他所走过路径其实要比你看到的要长得多，而他的出发点其实也比你看到的要远上许多。
而我们要知道的是，很多人认为可观测宇宙只有138.2亿光年的半径就在于没有把膨胀效应考虑进去。如果考虑进去，人类最多能看多远呢？其实就是我们能看到的最遥远的光，这就要提到宇宙微波背景辐射了。它就是最早在宇宙中传播的电磁波。
宇宙大爆炸之后38万年后，宇宙大爆炸的余晖以电磁波的形式在宇宙中传播。在这之前，宇宙是黑暗一片的，当时的宇宙更像一片粒子的海洋，光跑不了多久就被散射或者吸收掉。所以，我们没办法看到宇宙大爆炸前38万年的电磁波。这样计算下来，我们大概可以看到的尺度是461亿光年，也就是说，我们能接收到的距离我们最遥远的电磁波是461亿光年外的。
那可能你要问了，不是说好的465亿光年的么？
这里其实是科学家把另外一个因素考虑了进去，话说爱因斯坦的广义相对论预言了“引力波的存在”，后来LIGO果真观测到了引力波，我们都知道引力波是时空的涟漪。
目前，我们的技术只能观测到超大质量的天体碰撞时产生的引力波，如果在未来技术可以提升，我们甚至可以观测到很微小的引力波。所以，其实引力波某种程度是我们的第二双眼睛，它其实是可以起到和电磁波一样的作用。
所以，其实这4亿光年，来自于引力波。宇宙大爆炸前38万年确实是没办法观测到电磁波，但是这38万年的引力波是存在的，所以科学家把空间的膨胀效应考虑进去之后，大概就是4亿光年。加上可观测到电磁波的461亿光年，也就是465亿光年是我们目前理论上可观测到的最大尺度，被命名为可观测宇宙，它其实只是宇宙当中的一部分而已。
所以，最后我们来总结一下，首先，光速不变原理目前来说还是很坚实的，它是针对物质，信息，能量而言的。而可观测宇宙半径是465亿年，也没有问题。这是因为我们能看到的最远的光由于空间膨胀效应的存在，导致这个光是从461亿光年出传播而来，而多余的4亿光年，来自于引力波，这是因为在宇宙大爆炸前38万年，我们能接收到的信息只有引力波而没有电磁波。
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