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138億歲的宇宙,為什麼觀測直徑卻達930億光年?是暗物質在作祟?
2023/03/27

每當夜里我們看到滿天繁星,感受著這片廣袤而深邃的宇宙的時候,有一個疑問始終縈繞在每個人的心頭,即我們所處的這個宇宙,到底有多廣闊,它又從何而來?而現在,據我們所知,這個宇宙的形成時間大概在 138億年以前,而這個宇宙的直徑則有 930億光年左右。

而這個時候,或許有人會問,如果光速是不變的話,為什麼宇宙的年齡只有 138億年,可半徑卻有 465億光年呢?在回答這一問題之前,我們先來看看「宇宙」這個詞語到底是什麼時候出現的。

宇宙一詞的來源

古時候,人們口中的「宇宙」,并沒有很大。那時候,宇宙只是用來代指「 屋檐」,又或者是房屋的其他一些零部件,與現在我們所知道的宇宙大小相比基本可以忽略不計。

比如《詩經·豳風·七月》中的「 八月在宇」這句話,這里面的宇指的就是屋檐、廊檐。《淮南子·覽冥》中「而燕雀佼之,以為不能與之爭于宇宙之間」中的「宙」字,就是「棟梁」的意思。但是,隨著時光流逝,「宇」「宙」兩個字,卻逐漸從房屋很小的部分漸漸衍生出新的含義—— 時間和空間

如《莊子》中的「 旁日月,挾宇宙」,就已經有了時間和空間上的意義,而到了后世,詩人和作家們對于「宇宙」的理解,也越來越廣,將宇宙的含義延伸到了「 無限大」。

如《楚辭·屈原·涉江》一文中的「霰雪紛其無垠兮,云霏霏而承宇」以及《莊子·庚桑楚》「有實而無乎處者,宇也;有長而無本剽者,宙也」等等,這些詩句中的「宇」已經不再是一個特定的位置或地點,而包括一切的 空間;「宙」則代表著無盡的 時光,沒有起點,也沒有終點。

此時「宇宙」代表著無盡的 廣袤。在現代,由于科技的不斷發展,我們開始認識到,宇宙是所有時間、空間和一切物質的統稱,它包括了所有的一切。

宇宙起源

長期以來,人們一直在思考著宇宙的諸多事宜,其中最引人好奇的便是它的起源。古希臘和古印度人最早創立了一種以物理法則為支配,而不是以個人的看法為基礎的 宇宙論。在中國古代的哲學里也包含了「宇宙」這個詞的概念,「宇」指空間,「宙」指時間。

在過去的 數個世紀里,隨著天體的觀測、引力學和動力學等的發展,人們對宇宙的了解越來越多,對其認識也越來越準確。

現代宇宙學起源于 1915年愛因斯坦提出的「廣義相對論」,這個理論實現了對宇宙起源、演化和終末的「定量化」預言,現代普遍接受的宇宙學說大都建立在廣義相對論的基礎上。到了現在這個信息發達的時代,能被大多數人認可的宇宙起源說則是 宇宙大爆炸學說。

大爆炸理論

該學說是這樣描述宇宙起源的,大約 138億年以前,一個無限小,無限重,溫度無限高的奇點,在那里,發生了一次巨大的爆炸,爆炸過后,它又開始不斷擴張。其實愛因斯坦在一開始的時候對這個理論不屑一顧,他根本不信這個「荒唐」的推理。

為了防止由「宇宙恒定不變」理論得出的數據出現偏差,他還特意在推導相對論的公式中加入了「 宇宙常數」。

1927年, 勒梅特第一次發表大爆炸學說之后,僅僅過了兩年, 哈勃便從遠處的星系中,觀測到了「紅移」現象,從而推斷出,這個宇宙的確是處于一種持續的膨脹狀態。

這一發現說明,在很早之前,宇宙的密度并沒有現在這麼高,有可能就是某一個時間發生了「大爆炸」,而那個爆炸的前一秒,一切都還處于一個 無限小的奇點里。隨著時間的推移,更多的人加入到這個研究領域來,不斷地去豐富發展,這才有了如今的「大爆炸」理論。

以現在我們所知的,宇宙的形成大約在 138億年之前,那時候的宇宙還很神秘的存在于一個奇點之中,可是隨著爆炸的那一刻,整個宇宙開始慢慢的演化,而這漫長的演化時間——138億年,就是宇宙的年齡。

那按照相對論,物體的移動速度不可能超越光速,也就是說宇宙半徑按照其年齡推算,最多可以就只能達到 138億光年,但是目前我們所了解到的知識告訴我們宇宙半徑卻達到了 465億年,也就是我們標題所說的 直徑930億光年,這又是為什麼呢?

930億光年的推算

我們都清楚,在 20世紀,兩個新的物理分支出現,一個是 量子力學,一個是 相對論。其中一個基本假定就是關于光速的恒定原則。從理論上來說,我們可以得出,在我們所處的宇宙中,物質,信息,能量的最大最快傳播速度,就是光速。

所以結合剛剛所說的宇宙大爆炸理論:在138億年以前,宇宙由于爆炸誕生了,那麼我們現在所能看到的,就是一個 138億光年為半徑的球體。可是,真的是這樣麼?

現在從我們所學的知識中,我們可以知道,現在可探測到的宇宙是一個 半徑為465億光年的「圓球」,這比宇宙大爆炸理論所推理出的 138億光年相差甚遠,那這個差值的出現究竟是因為大爆炸出錯了,還是相對論出錯了呢?

膨脹的「錯」

其實,大爆炸論和相對論都是正確的,并不沖突。那這兩個數據為什麼對不上呢?這要追溯到宇宙大爆炸剛發生的時候了。根據現在的觀測結果和學說,大多數人都認為,這個宇宙是在138億年前的那場大爆炸里產生的,隨著爆炸聲響起,整個宇宙都在猛烈地 膨脹

伴隨著宇宙空間的擴張膨脹, 氣溫也隨之降低。在這個時候,我們就要開始動腦筋了,宇宙在不斷擴大膨脹的,而光速又是一定的。那麼,這樣下去會發生什麼呢?

一束光所經過的路程可以將光速乘以時間得到,假設宇宙爆炸的那一刻,這束光是從 A點到 B點,理論上來說,這束光所經過的「路程」是 138億光年。但是,隨著宇宙空間的持續膨脹,這束光并沒有停止移動。所以,我們必須將「 膨脹」這個影響因素一起算進去。

但還有一個問題需要解決。這個宇宙最初并非完全透明。在早期的時候,因為宇宙的高溫,所以所有宇宙都處于「 等離子態」,光子是無法在這樣的宇宙空間中傳播移動的。而此時,同樣的事情,也出現在了太陽上。

你是不是以為,從太陽表面傳播到地球上的光子,是于 8分20秒之前開始發送的?但實際上,這個光子是由太陽內部中 氫核聚變產生的,但它產生后,并沒有立刻落在太陽上。這是由于太陽的內核也是等離子態,所以它被困在了里面,通過不斷地努力撞擊,才躥了出來。

科學家們得出了一個結論,那就是一個光子「躥」出來大約要 14萬年的時間。換言之,該光子大約是在14萬年以前被創造出來,在8分20秒之前剛剛到達我們的太陽表面,之后又用了8分20秒的時間到達我們的星球。

要知道,直到大爆炸的 38萬年以后,宇宙的氣溫才下降到 3000多攝氏度,宇宙這才脫離「等離子態」。所以,我們應當從大爆炸發生后38萬年開始算起。那麼,這個可觀察到的宇宙半徑,算下來就是 461億光年

引力波

可是461光年和465光年仍有些許差距,這究竟是為什麼呢?

這一切,都是從前38萬年開始的。我們現在的觀測方法基本上都是通過「 電磁波」來實現的。簡單來說,就是我們上面提到的光子。所以我們可以透過電磁的交互作用,觀察到宇宙461億光年半徑的」圓球「大小。

不過,在整個宇宙中,有 四種主要的作用:強相互作用,弱相互作用,電磁相互作用,引力相互作用。而強相互作用和弱相互作用是在原子層次上進行的,范圍很小。所以,唯一僅剩的就是引力了,不過幸運的是, 引力的確是可以幫助我們來彌補消失的那幾年。

因為,恰巧引力波并不受等離子態的限制,也就是說,在大爆炸的那一瞬間,它就已經存在于整個宇宙空間中了。假如我們可以接收到宇宙中」第一個「引力波,那麼「 前38萬年」就會被補上。在這個過程中,我們依舊要考慮到膨脹的影響。

因此,我們可以得出,」前38萬年「的距離就是消失的那 4億光年。于是,在此基礎上,我們可以得出一個直徑為930億光年的可觀測宇宙。

似乎這個數據在一步步的推理中看起來很合理,可是, 宇宙大爆炸學說真的是正確的嗎?如果我們從一開始就錯了,那是不是就代表著宇宙范圍可能比我們推理出的還要大?

其實在 20多年前,科學家們就發現了一顆比宇宙年齡還大的恒星,于是,有一小部分人開始對這宇宙大爆炸學說的真實性提出了質疑。

160億歲的恒星

這顆恒星就是 HD140283,因為它太過」蒼老「,所以這顆星球又被命名為」瑪土撒拉「,在《圣經》中,「瑪土撒拉」是世界上壽命最長的一位老者,他活到了 969歲。那「瑪土撒拉」恒星的壽命又是多長呢?

2000年,天文學家從 依巴谷衛星的觀測結果中得知,這顆星球已誕生了 160億年之久。這個消息讓整個世界都為之震驚,因為宇宙才僅僅存在了138億年,而這個星球已經存在了160億年,也就是說,這個星球存在的時間已經遠遠比宇宙存在時間多出了 22億多年。

這樣的結果讓許多科學家又開始了頭腦風暴。以 大爆炸學說來講,在所有物質還沒有形成的時候,整個宇宙都還處于一個無限小,無限重的奇點之中,那這個星球到底是從哪里來的?難道宇宙大爆炸理論真的錯了?

這些問題在眾多天文學家心中盤旋,他們開始通過各種儀器,對「瑪土撒拉」進行了詳細地研究,希望能夠找到它的」真實「年齡。

真實年齡?

不過,確實也有很多人相信,「 瑪土撒拉」星的真實年紀,很有可能是實驗出了差錯。

距離誤差

可能出現了兩種情況,一種是天文學界對這顆恒星的測量方法出了問題。科學家們是通過使用天文儀器觀察到的「瑪土撒拉」星的 視覺亮度,以及所算出的與「瑪土撒拉」星的 距離,天文學家就能推算出其大概的年齡。

「恒星」的亮度還好判斷,但距離一般都是用「視差法」來衡量,而在「 太陽」的軌道上,從各個視角觀察到的恒星距離都會有很小的差別,也許就是由于「距離」的誤差,才造成了「瑪土撒拉」的年齡過大。

含氧量

而另一種情況則是因為這顆星球中的 含氧量,這顆星球上的氧的占比也比所預測的數據要高得多,這或許也是為什麼「瑪土撒拉」星球年齡會被推算」錯「的原因。

通過對這顆名為「瑪土撒拉」的星球的觀測, 霍華德·邦德等人得出結論,這顆名為「瑪土撒拉」的星球,實際的壽命應該是 144.6億年,這看似比之前的160億年要少了許多,但實際上,這個數據依舊比宇宙年齡要大。

平行宇宙

一些科學家則以 平行宇宙這一說法來解釋這顆星球的年齡。平行宇宙簡單來說,我們現在所處的這個宇宙并非只是一個」獨立體「,可能還存在我們這個宇宙之外的空間,或者說是與我們這個宇宙類似,但是卻又不完全一樣的宇宙。

所以,「瑪土撒拉」很有可能是另一個宇宙的恒星,也許那個宇宙的大爆炸發生得更早,所以這顆星球才會有 160億年或者是144.6億年的壽命。因為我們所在的宇宙和其他宇宙產生撞擊,由于雙方的 時空差異,所以,就出現了一個讓整個天文界都為之震驚的「漏洞」。

當然了,也有一種可能,那就是我們所知道的宇宙年齡,也就是 138億年這個數字并不完全正確,即便我們擁有了各種各樣的儀器,可以用來探測與分析這個世界,但是我們畢竟是這個宇宙世界中一個誕生不久的、微不足道的生命體,我們目前所探知的一切,也不過是這個宇宙空間的一小部分而已。

而且,宇宙中的物質很多,除了我們已經知道的以外,也包括了很多 暗物質和暗能量,它們隱藏得很深,從來沒有被我們發現過,或許也是因為我們的儀器被這種未知的物質所干擾,所以才會使我們的觀測現象出現這樣的結果。

但這一長串畢竟只是一些猜測,所謂的「科學」,往往都是建立在大量的事實基礎上的,光靠「嘴上功夫」是無法改變事實的。就算是愛因斯坦,在觀測到了 紅移之后,也不得不重新審視自己的宇宙常數,所以,科學是建立在「 證據」之上的。

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