超火的科普文：宇宙存在仅 138 亿年，为什么我们能看到 460 亿光年的东西?

超火的科普文：宇宙存在仅 138 亿年，为什么我们能看到 460 亿光年的东西?

为什么宇宙的年龄约为138亿年,目前可观测的半径却是460亿光年?听起来这似乎是很让人费解的问题，但学会像天文学家一样思考，你会得出不同的答案。本文译自 Medium 中原标题为“If The Universe Is 13.8 Billion Years Old, How Can We See 46 Billion Light Years Away?"的文章。

当我们谈到宇宙的起源、过去和现在时，很容易被搞得一头雾水。其中不得不谈到的一件事就是宇宙大爆炸，或者说是关于宇宙起源于138亿年前的观点。时至今日我们才能较为准确地描述宇宙：充满物质，辐射，以及构成恒星，星系，行星和人类的要素。那么在宇宙中我们可以看到多远？很多人可能会认为，在一个受光速限制的宇宙中应该是138亿光年（宇宙的年龄乘以光速）。但138亿光年远远小于正确答案，实际上我们可以看到的范围总直径为九百二十亿光年。

为什么是这样？我们可以选择三种直观的方式来思考这个问题，但其中只有一种是正确的。

物质无处不在，同时光以光速移动。这是大多数人的“默认”假想。你可以想象一个充满星系的宇宙，这些星系形成伊始便是宇宙的开端。因此时间越长，我们可以看到的地方越远。所以在138亿年后，减去宇宙大爆炸后形成恒星和星系的时间，我们预计能够看到近 138亿光年。

物质无处不在，光速为c，同时一切物质都可以在空间中移动。这又增加了一个维度，不仅有大量发光的物质，而且这些发光体可以进行相对运动。通过狭义相对论可知，由于它们以光速运动，当光线以光速移向我们时，我们可以想象这种速度是第一种情况的两倍，所以现在的距离可能远达276亿光年。同时它们的光线既可以以光速接近我们，也会以光速离开我们  。

物质无处不在，光速为c，星系也在不断运动中，同时宇宙在扩张。最后一层才是大多数人最难以接受的反直觉的设定。但事实的确如此，空间中充满了物质，它们迅速聚集成行星、星系甚至更大的结构。它们产生的光线全都以c的速度移动，即真空中的光速。之所以这些物质都能在空间中移动，主要是由高密度区域和低密度区域之间的相互引力造成的。所以这才是真正的情况。

但还有一些附加情况，即宇宙本身正在不断扩张中。当你看到一个遥远的星系，如果这个星系比其他的更红，那么就表示它正在远离我们，因为光线被转移到更长（更红）的波长中去了。这就如同逐渐远去的警笛声也会转移到更长的波长和更低的音高上。同时随着宇宙的扩展，空间结构不断延伸，空间中的那些独立光波也会不断于波长中延伸。

如果你所能测量的只是光线到达你的眼睛时的波长，那么你如何判断它是由于运动还是由于空间结构造成的呢？事实证明，天体的红向移动与观测到的银河亮度之间存在着一种关系，距离是造成这种差异的基本要素。在一个静止的宇宙中，我们可以观察到的最大距离是宇宙年龄的两倍，即276亿光年。但在今天的宇宙中，我们已经观测到比这更远的星系！

那么在任意一处我们到底能看到多远？如果宇宙根本没有暗物质，最远的物体便是恒星，星系，宇宙大爆炸中的余光等，这些物质的距离将被限制在414亿光年（由广义相对论推导而来，即R = 3ct）。但是在一个充满暗物质的宇宙中，这个结果将被远远放大：即460亿光年。

扩张的宇宙中，狭义相对论（虚线）和广义相对论（实心）的预测

把所有这些因素放在一起，这意味着我们在宇宙中可以看到的最远距离为920亿光年。但不要忘了：宇宙还在不断扩大中！这意味着如果我们今天以光速启程，最终也只能达到宇宙直径的三分之一，大约是其体积的3％。换句话说，由于宇宙的扩张和暗能量的存在，即使我们今天以光速行驶测量，97％的可观测宇宙也已经无法到达了。

对于138亿年历史的宇宙来说，920亿光年看起来可能是一个很大的数字，但对于今天充满物质，辐射，暗能量，并遵守广义相对论的宇宙来说，这的确是正确的数字。宇宙本身在扩张，被宇宙所包裹的星系和星系团之间也在不断产生新的空间，这就是宇宙无穷大的原因。鉴于此，如何探寻出宇宙的未来目前还未可知。