為什麼宇宙年齡138億年，大小竟有930億光年？

宇宙到底有多大？多少歲？

這是仰望星空的人常愛問的兩大問題。

但剛開始接觸宇宙學的人，很可能遭遇一種困惑：一方面得知宇宙年齡有138億年，另一方面卻被告知宇宙最大直徑高達930億光年，這不是自相矛盾嗎？

因為按照這些人的理解，從宇宙大爆炸一直到現在138億年，科學家們一定是找到了確切證據——大爆炸產生的光子，經過漫長的138億年飛行，終於被我們發現了。（這就像考古學家發現了霸王龍化石，進而確定它們曾生活在6700萬～6500萬年前一樣。）

但，與此同時，科學家又在斬釘截鐵地告訴我們：宇宙最大直徑竟有930億光年，也就是說，以地球為中心的可觀測宇宙半徑有465億光年。

這麼看來，宇宙創世之初——大爆炸最早誕生的光子，飛到現在不是才138億年嗎？為什麼科學家竟然會發現465億光年之外的星體呢？就是說為什麼能夠發現飛行了465億年的星光呢？

這不是再明顯不過的自相矛盾嘛？！到底科學家集體發昏？還是另有真相？

這的確是個有趣又有料的好問題。科學家告訴我們這兩個數據其實沒毛病，有毛病的是我們理解有誤，以及讀書太少。

沒耐心刷屏的，一句話告訴你答案，這是宇宙膨脹搞的鬼。

沒看懂？那就看一個簡單的比喻吧——

想像有一隻螞蟻，爬在一個不斷膨脹的氣球表面，相對於氣球表面的爬行速度是勻速的1cm/s。10秒後，螞蟻認為自己已經爬了10cm，但旁邊的你，作為觀測者用尺子測量發現，它爬過的這段距離已經超過了10cm，因為氣球在膨脹！同樣道理，代表宇宙年齡的光子，儘管飛行時間是138億年，卻能夠跨過465億光年。都是因為宇宙膨脹造成的！懂了吧。

但問題來了，這不是大大超過了光速嗎？傳說中的超光速真實存在嗎？宇宙年齡和大小到底是怎樣測量出來的？宇宙膨脹又是怎麼測量的？

有耐心想知道「知其所以然」的，請看——

先來說說宇宙年齡。

事實上，測定宇宙年齡，並不是像有人想當然的那樣，跟發現霸王龍化石一樣，科學家找到了宇宙大爆炸的最初影像資料。

按照大爆炸理論，這是不可能的。因為從宇宙大爆炸開始，大概30萬年後，宇宙最早一批原子才開始誕生；大概35萬年（也有稱38萬年的），光子才開始在宇宙中向四面八方傳播，此時整個宇宙直徑只有1億光年。

這些最初的光子，一路飛越到現在，就是我們今天探測到的宇宙微波背景輻射，簡稱CMBR。可以說是宇宙大爆炸的餘波，也可以說是「宇宙的第一束光」或者「嬰兒宇宙快照」。

這樣的話，只要測得CMBR越精確，確定的宇宙年齡也就越接近。

從最早美國兩位工程師通過射電望遠鏡——意外發現，到1992年NASA發射宇宙背景探測者（COBE）——主動探測，再到2003年NASA發射第二代宇宙微波背景探測器（WMAP）和2009年歐空局ESA發射普朗克衛星——深度探測，再加上哈勃太空望遠鏡和一大波地面天文台的數據共享／互補對照……經過半個世紀的不斷努力，最新測定的宇宙年齡——137.98±0.37億年，一般簡化成138億年。

再說說宇宙大小。

通常說的930億光年，是指可觀測宇宙的直徑。

什麼又是可觀測宇宙？簡單來說，就是以觀測者為中心所能觀測到的宇宙範圍。言外之意，可觀測宇宙只是整個大宇宙的一部分。從宇宙大尺度來說，不同觀測者的可觀測宇宙範圍也不同。

以我們為例，人類目前的可觀測宇宙其實是個球體——一個以465億光年為半徑的巨巨巨型球體。

球體外面是什麼？可觀測宇宙之外是什麼？其實還是大宇宙的一部分，只不過是我們還沒能力觀測到。

目前已知的這個半徑又是怎麼來的？

其實，並不是我們觀測到了距離地球465億光年之外的星體。

目前為止人類觀測最遠的星系——GN-z11，根據哈勃望遠鏡的測定，它的年齡高達134億年，距離我們大約320億光年。此處——又一個年齡與距離高度不符，到底咋回事？等下你就懂了。

測量可觀測宇宙半徑465億光年，其實，我們還是根據測定CMBR——宇宙微波背景輻射——粒子的紅移量，得到了共動距離，大約是465億光年，這就是可觀測宇宙半徑。

等等，紅移量、共動距離又是什麼？

先說距離，宇宙學中經常使用的有三種距離：光行距離、固有距離、共動距離。

光行距離最為我們大眾所理解，就是用光飛行的時間來衡量距離。光行距離有一個前提就是不考慮宇宙膨脹。為了使用方便，光行距離派生出「光行時間」——光行這段距離所需的時間，有時也被稱為「回溯時間」。事實上，宇宙年齡138億年，也可以說是光行時，或者說回溯時間是138億年。

再比如，我們說牛郎織女星相距16光年，也就是指它們之間的距離需要光飛行16年，光行距離16光年，光行時／回溯時間16年。

但如果考慮宇宙膨脹，前面說過的觀測到最遠星系——距離我們320億光年，事實上就沒那麼簡單了。因為在光行320億年的這段時間裡，整個宇宙是在不停地膨脹。所以，要想測定星體的真實距離，還需要考慮宇宙在這麼長的時間裡到底膨脹了多少？

再簡單說下，宇宙膨脹——這是從大爆炸開始就從未消停地「宇宙大動作」。最早被大名鼎鼎的哈勃發現，建立了宇宙膨脹理論，形成了哈勃定律、哈勃常數、退行速率、紅移量等等。如今已成為宇宙學最熱門的研究領域之一，因為它決定了很多重要命題。在這裡，你只要能理解這個比喻就好——

宇宙膨脹的道理，就像葡萄乾麵包一樣，放進烤箱里烘烤時，麵包會從小變大的膨脹，不管是麵包表面還是裡面的葡萄乾，在這個膨脹過程里，都會相互遠離。

現在，科學家對宇宙的觀測結果正好與此吻合，所有星系都在遠離我們！葡萄乾都在相互遠離！科學家把這種遠離我們的宇宙膨脹速度，也叫退行速度，相對我們來說這些星系都在退行。

又因為這個速度是根據光譜紅移現象測量的，所以引入一個「紅移」概念。這個我們後面再說。

我們有了宇宙膨脹的概念後，你就能理解「共動距離」了。共動距離的「共動」，到底是誰跟誰共動？

其實是測量宇宙距離的量天尺，跟宇宙膨脹一起共動——共同膨脹。這種想像出來的量天尺，測量出的距離就是共動距離，也有叫同移距離的。這就意味著，測出來的仍是膨脹前的數值，所以，共動距離是一個固定值。

可觀測宇宙半徑為465億光年，就屬於共動距離。為什麼此處要採用共動距離呢？

其實，這正是科學的嚴謹說法。你想想，宇宙時時刻刻都在加速膨脹，而且膨脹速度很驚人，越來越多的星系在遠離我們，最終變成不可觀測。所以，對於這種動態的宇宙來說，最妥當的說法就是採用共動距離——這個固定值，描述可觀測宇宙的尺度，和宇宙一起膨脹，不隨時間變化，更適合描述這個加速膨脹的宇宙大小——半徑465億光年的巨型球體。

跟共動距離概念——正好相反的是「固有距離」，一種隨宇宙膨脹而變化的距離，相當於使用一把固定不變的量天尺，去測量膨脹中的宇宙距離。也就是說，這是一個隨時間變化而變化的數值，當然這是一個理想值。

儘管固有距離實際上無法測量，但在科學家眼裡卻是一種最接近真實距離的概念。於是，科學家找到一種替代方案，這就是紅移量。

所謂紅移，就是光子輻射的波長，隨著宇宙膨脹會被拉長，從光譜藍色的短波移動到紅色的長波，因而形成了紅移現象。

紅移是一個很直接的量，因為直接觀測，就能得出數值。

一束光的紅移，就是遙遠星光的觀測波長—真實波長，再與真實波長的比值。

圖右是遙遠的星系在可見光波段的光譜，與圖左太陽的光譜比較，可以看見譜線)朝紅色的方向移動，即波長增加（頻率降低）。

請記住，紅移量是我們談論宇宙尺度、星體距離時，唯一能夠明確的測量值，而其它比如光行距離、共動距離、回溯時間，都是派生出來的量。至於這些量之間是如何換算的，要涉及到一堆數學公式，還是就此略過。

對我們來說，最簡單最有用的就是一張對照表——回溯時間、光行距離、共動距離、紅移量、膨脹速度之間關係的對照表，足夠用了。

我們可以很清晰查到：當宇宙年齡是138億年（回溯時間）時，所對應的共動距離是465億光年，紅移量是100。

再比如，最遠星系GN-z11的回溯時間，即星系年齡134億年，對應的共動距離就是320億光年。而這些數值也都是通過測量——從這個星系發出光子的紅移量換算出來的。

我們懂得了回溯時間、共動距離、紅移量之間的關係，是不是一下子豁然開朗了不少？

最關鍵的問題來了：宇宙回溯時間／光行時間是138億年，共動距離卻是465億光年，這不是大大超過了光速嗎？不是正好說明因宇宙膨脹造成的超光速現象嗎？

可以肯定的是，我們還沒有發現任何「超光速的光」。光的最高限速還是30萬公里／小時，無法自我突破或者藉助外力超越。

至於說，宇宙第一束光——宇宙微波背景輻射，在138億年里跨越了465億光年，大大超過了137億年的光行距離。讀懂上面我所說的，其實就該弄懂了——絕不是宇宙第一束光超越了光速，而是宇宙加速膨脹使得第一束光看起來好像超光速，這不過是我們作為觀測者，看到的一種觀察效應。

細心的人從上面那張表也會發現，第二欄v/c退行速度與光速比值最大就是1，不管現在還是未來，都沒有大於1，並不存在超光速的現象。

這就像我上面列舉「螞蟻爬氣球」的栗子，螞蟻還是以自己的速度爬行，但在氣球膨脹作用下，觀測者卻測出了大大超過螞蟻的爬行速度和爬行距離。但是，我們並不能就此得出結論：這隻螞蟻變成了超級螞蟻，竟然超越了螞蟻界的最高速度。

總之，我們大可不必擔心／期望可觀測宇宙存在超光速的光，作為本宇宙的最快信使——光信使已經是最高限了，這是由宇宙法則決定的。

點擊展開全文

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！