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之所以會有“可觀測宇宙”的概念，很大程度上，是因為以地球為參考系，宇宙的膨脹速度可以超越光速，而宇宙是有一個起點的，宇宙至今是138億歲，因此我們能看到的范圍就要遠小于宇宙本身的大小。因此，可觀測宇宙之外還是宇宙。  點擊加載圖片 那具體是咋回事呢？今天，我們就來聊一聊這個話題。 在20世紀之前，當時的科學家對于宇宙的主要觀點就是：在大尺度上，宇宙不會隨著時間流逝而發(fā)生改變。也就是說，宇宙自始至終就是一個樣子，也就是我們常說的永恒。到了1915年，愛因斯坦推發(fā)表了著名的廣義相對論。  點擊加載圖片 在廣義相對論中，愛因斯坦推導出了一個著名的廣義相對論引力場方程。但是，他就發(fā)現(xiàn)，這個方程預(yù)言了宇宙隨著時間的流逝而膨脹，但是愛因斯坦的觀念并允許宇宙是這樣的，于是，他在廣義相對論的引力場方程中加了一個宇宙學常數(shù)，這樣就可以抵消掉這部分膨脹效應(yīng)。  點擊加載圖片 結(jié)果呢？才沒過多久，愛因斯坦被天文學家哈勃用觀測進行實力打臉。哈勃長年觀測銀河系外的星系，他就發(fā)現(xiàn)一個有趣的現(xiàn)象，那就是大多數(shù)的星系都在發(fā)生紅移。這代表了什么呢？ 實際上，紅移說明這些星系都在遠離我們，而且進一步分析發(fā)現(xiàn)，它們的原理是因為宇宙在膨脹，而不是星系自身在動。  點擊加載圖片 哈勃的觀測結(jié)果直接指向了一個“膨脹”的宇宙。而也有很多科學家提出了和愛因斯坦完全不同的宇宙學觀念，這其實也就是宇宙大爆炸的前身。他們認為宇宙有個炙熱的奇點，誕生于一次大爆炸。  點擊加載圖片 大爆炸之后，宇宙就開始劇烈的膨脹，宇宙空間在短時間內(nèi)膨脹到了一個特別大的尺寸，而之后，由于引力占據(jù)了主導，開始減速膨脹。  點擊加載圖片 這里要說明一下，宇宙的膨脹是一個整體性的膨脹，而不僅僅是邊緣在向外擴展。于是，科學家通過理論計算，就可以得到宇宙的年齡，根據(jù)最新的普朗克衛(wèi)星的觀測結(jié)果，宇宙的年齡大概在138億歲左右。那和可觀測宇宙有什么關(guān)系呢？  點擊加載圖片 可觀測宇宙是咋來的？ 實際上，我們要思考一個問題，那就是我們是如何觀測。這么說吧，人類大多數(shù)時候都是利用電磁相互作用來觀測。啥意思呢？ 比如，你能看到東西，主要原因就是物體要么自己發(fā)光，要么反光，光線進入到你的眼睛里，你才會看到它。  點擊加載圖片 而我們要知道的是，光速是固定的，也就是3*10^8m/s。這就意味著，即使你能夠看到的，也只是看到物體過去的影響，因為光從物體表面發(fā)出或者反射，到最終進入你的眼睛是需要時間的。因此，我們看到的其實都是過去。  點擊加載圖片 而宇宙大爆炸是發(fā)生在138億年前的，因此，我們理論上最多能看到半徑138億年的宇宙空間，但我們要知道是可觀測宇宙的半徑卻是465億光年。那為什么會如此大的差異？ 其實之前的“138億光年”沒有考慮宇宙在膨脹，如果我們把宇宙膨脹也考慮進去，就可以得出這個結(jié)論。  點擊加載圖片 但我們要知道的是，宇宙大爆炸后38萬年，宇宙溫度下降到3000度左右，宇宙的原子結(jié)構(gòu)逐漸形成，光才開始在宇宙中傳播的，之前宇宙是一鍋滾燙的粒子粥。因此，我們理論上看到的歷史最遙遠的影響其實是宇宙大爆炸之后38萬年后發(fā)出來的光，這也被我們稱為宇宙微波背景輻射。  點擊加載圖片 如果把宇宙膨脹的因素考慮進去，就可以得到461億光年的范圍。那你可能要問了，不是說好的465億光年嗎？這咋還相差了4億光年？ 這里其實還有一個非常重要的問題需要考慮進去，之前說到的其實是利用電磁相互作用來觀測，可現(xiàn)在的我們不僅僅可以利用電磁相互作用了，我們還可以依靠引力波。實際上引力波不僅僅是出現(xiàn)在兩個大質(zhì)量天體的合并，宇宙誕生時也會產(chǎn)生引力波，被我們稱為原初引力波。 點擊加載圖片 引力波從宇宙誕生時就產(chǎn)生了，因此，利用引力波理論上可以觀測宇宙誕生時的情況，所以，那段利用電磁相互作用無法觀測的38萬年，可以利用引力波進行觀測。但我們同樣需要考慮到宇宙膨脹的情況，加上宇宙膨脹效應(yīng)，我們就得到4億光年，加上之前的461億光年，也就是465億光年。這其實也就是可觀測宇宙半徑的由來。 可觀測宇宙之外為何無法觀測？ 而可觀測宇宙之外的宇宙，按照目前的物理學理論，我們沒有任何辦法利用任何的辦法對其進行觀測。這個限定首先來自于宇宙的年齡，其次就來自于觀測手段。當然，你可能會說難道不能利用蟲洞嗎？ 點擊加載圖片 實際上，蟲洞確實可以實現(xiàn)超光速的行為。但問題是，蟲洞至今還只是一個理論，并沒有實際觀測到任何一個“蟲洞”的存在。因此，蟲洞的存在都受到質(zhì)疑，我們又如何利用蟲洞呢？ 所以，在現(xiàn)有的理論框架下，我們無法觀測可觀測宇宙之外的宇宙。 |
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