可观测宇宙的范围,是以宇宙空间膨胀为基础提出的。距离我们越远的天体,远离我们的速度越快。超出可观测宇宙范围的天体,发出的光永远不再进入我们的视线。
可观测宇宙范围,是一个不确定的数值。包括宇宙的年龄,也是某些理论的假说。无法实际验证,各种假说都在自说自话。我们既然讨论可视宇宙边界,首先需要认同作为前提的假说。
假说有两个:一是宇宙年龄,二是宇宙在膨胀。138亿年宇宙年龄,是基于现代宇宙学的观测和理论计算得出的结果。这个年龄是通过测量宇宙膨胀的速度,即哈勃常数(Hubble constant),并结合宇宙的物质和能量组成来估算的。哈勃常数描述了宇宙膨胀的速率,宇宙的物质和能量组成决定了宇宙膨胀的动态。
宇宙的年龄是通过观测宇宙微波背景辐射来估计的。微波背景辐射是大爆炸之后遗留下来的,它洋溢在宇宙的每一个角落。科学家通过分析微波背景辐射的微妙温度波动,能够追溯宇宙的历史,从而推算出宇宙已经存在138亿年。关于宇宙年龄的计算,我们放到最后,主体讨论可观测宇宙范围。
直接说可观测宇宙465亿光年的距离是怎么来的?
按照宇宙大爆炸模型,宇宙来自一个奇点。这个奇点爆炸之后,迅速膨胀。大爆炸初期发出的电磁波,经过138亿年的传播现在到达地球。我们地球能接收到的这些最远最古老的电磁波,就是可观测宇宙的边界。在宇宙不断膨胀过程中,这些这些发出电磁波的物质已经距离我们465亿光年。
现在观测到的宇宙微波背景辐射(CMB),正是大爆炸发生后38万年。发出的电磁波。这些电磁波发射点的位置,就是接近可观测宇宙边界的物质。这个可观测宇宙边界。在宇宙学中,被称为粒子视界。
我们知道。距离我们越远的天体,相对于我们退行速度越快。这是宇宙膨胀的规律。在距离地球145亿光年处,天体的退行速度已经达到光速。静态思考的话,此处发出的光飞向地球的速度。与空间膨胀的速度相等,互相抵消。无法进入地球的视野。这个范围我们称为哈勃视界。
在宇宙物理计算中用到一个参数,叫哈勃参数,表示宇宙膨胀速率的变化率。哈勃参数在宇宙的生命周期中不是一成不变的。宇宙爆炸初期最大,一点一点减小,在遥远的将来会成为一个常数。
在哈勃参数变化过程中,超出哈勃视界的天体发出的光子,有可能在遥远的将来,进入地球的视野。这个距离科学家计算出是166亿光年。这个范围被称为事件视界,是针对当前的宇宙阶段做出的计算结果。
将来哈勃参数成为常数之后,空间膨胀速率恒定。哈勃视界之外的天体发出的光,我们也不再能够接收到,事件视界与哈勃视界一致。
有些数据在各种资料的说法中不太一致,不过大差不差。比如事件视界的边界和哈勃视界的边界。宇宙学本来就是个误差很大的学科。有时候一些数据差一两个数量级。都是允许的。
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宇宙的年龄到底是通过怎样的步骤计算得出的呢?
1.利用哈勃定律。哈勃定律表明,远处的星系相对于我们退行的速度与它们的距离成正比。这个比例常数被称为哈勃常数(H0),其倒数即为哈勃时间(Hubble time),可以用来估算宇宙的年龄。
2. 宇宙学模型:现代宇宙学模型,如ΛCDM模型(Lambda Cold Dark Matter model),考虑了宇宙中的暗物质和暗能量。这些模型使用哈勃常数和其他宇宙学参数来描述宇宙的膨胀历史。
3. 观测数据:通过观测宇宙微波背景辐射、超新星、星系分布等,科学家们能够测量哈勃常数和其他宇宙学参数的值。
4. 计算宇宙年龄:结合观测数据和宇宙学模型,科学家们可以计算出宇宙的年龄。例如,根据普朗克卫星的数据,宇宙的年龄被计算为大约137.99亿年。
需要注意的是,宇宙的年龄是基于当前观测数据和理论模型的,随着新的观测技术和理论的发展,这个数值可能会有所调整。此外,可观测宇宙的直径大约为930亿光年,这是因为宇宙自大爆炸以来一直在膨胀,而且膨胀速度可以超过光速。因此,我们能够观测到的宇宙范围远远超过了宇宙的实际年龄所对应的光速旅行距离。
综上,宇宙年龄138亿年,是凭借现代科技水平,与现在观测水平,综合计算出来的结果。这个结果受技术与历史的限制,不一定准确。至现在为止,这个结果,还被科学界主流认可。科技与观测技术是不断发展的,未来的某一天,可能这个数值,会被推翻,也可能根据更高的技术,更新的观测,为这个数值增加依据,让更多的人相信。
这个计算结果,永远无法实际验证。就像人类历史,没有文字记录的历史,永远不可能精确到年月日。
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