在一些科普文章中，人們常?？吹?，宇宙年齡138億歲，卻有930億光年的可觀測(cè)直徑。于是很多網(wǎng)友質(zhì)疑，這是怎么回事呢？

其實(shí)簡(jiǎn)單的回答，就是宇宙膨脹速度超過(guò)光速。但很多科普文章又強(qiáng)調(diào)，光速每秒約30萬(wàn)千米，是宇宙中最高速度，任何物體不得超越。這樣有人就更疑惑了，這豈不矛盾嗎？難道科學(xué)可以翻手為云覆手為雨，隨意亂點(diǎn)鴛鴦譜？

為了幫助大家弄清楚這個(gè)問(wèn)題，我們一起從宇宙誕生和成長(zhǎng)說(shuō)起。

大爆炸宇宙模型是當(dāng)前科學(xué)界公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)模型。大爆炸宇宙模型認(rèn)為，在約138億年前，宇宙從大爆炸中誕生了。所謂宇宙誕生就是時(shí)空物質(zhì)的誕生，在這之前是沒(méi)有時(shí)空物質(zhì)的。不要老幻想著宇宙大爆炸之前是個(gè)什么樣子，這是一個(gè)無(wú)解的問(wèn)題，因?yàn)槿祟惸壳爸荒軌蚪忉屓S空間的問(wèn)題。

簡(jiǎn)單的說(shuō)所謂三維空間就是有長(zhǎng)寬高三個(gè)維度以及一維時(shí)間軸的世界，綜合起來(lái)就叫四維時(shí)空。迄今為止，人類的所有理論都是認(rèn)識(shí)和解釋四維時(shí)空事物的，超出了這個(gè)時(shí)空，人類就無(wú)法認(rèn)識(shí)，因此宇宙大爆炸起始于奇點(diǎn)，人類的認(rèn)識(shí)就到那個(gè)奇點(diǎn)為止。

奇點(diǎn)就是被認(rèn)為時(shí)空合并或者消亡的地方，沒(méi)有時(shí)空的地方絕對(duì)不是我們世界的東西，因此無(wú)法解釋。不過(guò)現(xiàn)代興起的量子力學(xué)試著采用量子漲落來(lái)解釋宇宙誕生之前的情況，認(rèn)為時(shí)空誕生于某種超時(shí)空，也就是所謂的量子真空，是在與海森堡不確定性原理相符的量子能量隨機(jī)漲落中誕生。這只是猜想，我們這里不深入討論。

大爆炸宇宙模型對(duì)爆炸暴漲期描述。大爆炸宇宙論已經(jīng)是現(xiàn)代宇宙學(xué)和天文物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型，得到了科學(xué)界最廣泛的認(rèn)同。這個(gè)理論認(rèn)為，人類認(rèn)識(shí)宇宙的時(shí)間從普朗克時(shí)間開始，普朗克時(shí)間為10^-43秒，也就是1000億億億億億分之一秒開始。理論認(rèn)為那個(gè)時(shí)間的宇宙空間只有10^35米，就是1000億億億分之一米；溫度約10^32度，就是1億億億億度。

當(dāng)宇宙大爆炸時(shí)間到了10^-35秒時(shí)，宇宙經(jīng)歷了第一次暴漲。這個(gè)暴漲僅持續(xù)了10^-33秒，這一瞬間，宇宙經(jīng)歷了100次加倍，即2^100次加倍，得到的尺度是先前尺度的10^30倍，也就是增長(zhǎng)了100萬(wàn)億億億倍。這時(shí)候的宇宙有多大呢？沒(méi)有具體數(shù)據(jù)，我們只知道普朗克時(shí)間普朗克尺度，但不知道大爆炸后10^-35秒時(shí)暴漲前的大小。

假定這個(gè)時(shí)候的宇宙已經(jīng)從普朗克尺度達(dá)到了1cm的話，增長(zhǎng)了100萬(wàn)億億億倍后的宇宙就已經(jīng)有10570億光年。這樣看來(lái)暴漲前的宇宙很顯然沒(méi)有1厘米，頂多只有微米級(jí)。如果暴漲前的尺度為1um，經(jīng)過(guò)10^-35秒的暴漲就達(dá)到了1億多光年，這個(gè)速度有多快？是光速的10^43倍。

因此宇宙膨脹暴漲期顯然比光速要快多了，而且快了幾十個(gè)數(shù)量級(jí)。

現(xiàn)在確定宇宙膨脹速率的方法是測(cè)量哈勃常數(shù)。所謂哈勃常數(shù)就是測(cè)量距離我們Mpc距離星系離開我們的速度，Mpc是百萬(wàn)秒差距的縮寫，秒差距是建立在三角視差基礎(chǔ)上的天文長(zhǎng)度單位，1個(gè)秒差距（pc）約3.26光年，Mpc就是約326萬(wàn)光年。

上百年來(lái)，科學(xué)家們通過(guò)各種方式測(cè)量哈勃常數(shù)，取得的結(jié)果都有一定差異。近期幾次相對(duì)精確一些的測(cè)量結(jié)果為：2006年8月，馬歇爾太空飛行中心研究團(tuán)隊(duì)利用NASA錢卓X射線天文臺(tái)測(cè)得的數(shù)值為77km/s·Mpc，正負(fù)誤差約15%；2009年5月7日，NASA根據(jù)la超新星爆發(fā)測(cè)得數(shù)值為74.2km/s·Mpc，正負(fù)誤差在5%以內(nèi)；2013年3月21日，歐空局宣布通過(guò)普朗克衛(wèi)星測(cè)得值為67.8km/s·Mpc，正負(fù)誤差約1%；2019年9月，德國(guó)科學(xué)團(tuán)隊(duì)利用引力透鏡效應(yīng)計(jì)算值為82.4km/s·Mpc。

這些誤差很可能由于測(cè)量方法的不同導(dǎo)致，或許還沒(méi)有找到一個(gè)更統(tǒng)一精確的方法。但我們不妨可以作為參考來(lái)計(jì)算一下宇宙膨脹速度。

根據(jù)哈勃常數(shù)得出的現(xiàn)在宇宙整體膨脹速度。計(jì)算宇宙膨脹速度的方法適用哈勃定律，這是美國(guó)天文學(xué)家埃德溫·哈勃在上世紀(jì)20年代發(fā)現(xiàn)宇宙膨脹現(xiàn)象時(shí)創(chuàng)立的一個(gè)理論。他發(fā)現(xiàn)宇宙膨脹呈現(xiàn)出各向同性，與距離成正比例線性關(guān)系的規(guī)律，就是距離越近，星系離開我們的速度越慢，距離越遠(yuǎn)離開的速度越快。因此，通過(guò)測(cè)得的哈勃常數(shù)，就能夠計(jì)算出宇宙膨脹速度。

哈勃定律表達(dá)式為：V=HxD

這里，V表示天體遠(yuǎn)離速率，單位km/s；H表示哈勃常數(shù)，單位km/s·Mpc；D表示相對(duì)地球的距離，單位Mpc。

上面已經(jīng)測(cè)得的哈勃常數(shù)，既然不統(tǒng)一，我們?nèi)∫粋€(gè)4次平均值，為75.35km/s·Mpc。就是說(shuō)在距離我們Mpc（326萬(wàn)光年）的地方，星系離開我們的速度為每秒75.35km。

現(xiàn)在科學(xué)界認(rèn)為我們宇宙可觀測(cè)范圍約465億光年，那么在距離我們465億光年的地方，星系離開我們的速度有多快呢？我們將數(shù)據(jù)代入公式就可以計(jì)算出來(lái)。

V=75.35x(46500000000/3260000)=75.35x14263.8≈1074777km/s

得到的計(jì)算結(jié)果是，現(xiàn)在宇宙膨脹速度達(dá)到光速3.58倍以上。

哈勃常數(shù)是一個(gè)非常重要的數(shù)據(jù)，可以通過(guò)這個(gè)速度大小，計(jì)算出宇宙的年齡，速度越大，說(shuō)明宇宙越年輕。因此把這個(gè)數(shù)值弄精確，對(duì)宇宙的過(guò)去未來(lái)研究具有十分重要的意義。

有人要由此提出疑問(wèn)了，不是說(shuō)我們世界的最高速度是光速，任何物體運(yùn)動(dòng)速度都不能大于光速嗎？是的，這是愛因斯坦狹義相對(duì)論得出的結(jié)論。這個(gè)結(jié)論已經(jīng)經(jīng)歷了100年無(wú)數(shù)次的質(zhì)疑和檢驗(yàn)，觀測(cè)事實(shí)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果都證明了這個(gè)結(jié)論的顛撲不破。

光速不可突破受質(zhì)速關(guān)系公式限制。原來(lái)宇宙膨脹是空間本身的膨脹，并不是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度，因此它不受光速藩籬的約束。

愛因斯坦相對(duì)論要求物質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度不能大于光速，理論依據(jù)是質(zhì)增效應(yīng)，是指凡有質(zhì)量的物體速度越快，其動(dòng)量就越大，達(dá)到光速動(dòng)量就會(huì)無(wú)窮大。要知道，宇宙質(zhì)量也是有限的而非無(wú)窮的，一個(gè)運(yùn)動(dòng)著的粒子達(dá)到了動(dòng)量無(wú)窮大，豈不把宇宙毀滅了？

光速限制適用于質(zhì)速關(guān)系公式，表述為：M=m/√[1-（v/c）^2]

其中M為物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量，m為物質(zhì)的靜質(zhì)量，v為運(yùn)動(dòng)速度，c為光速。通過(guò)這個(gè)公式，我們可以計(jì)算出任意速度的質(zhì)增效應(yīng)。隨著有靜質(zhì)量物體無(wú)限接近光速，我們可以計(jì)算出動(dòng)量趨于無(wú)窮大，一個(gè)質(zhì)子也會(huì)如此。當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)達(dá)到光速時(shí)本題無(wú)解，因此是不可實(shí)現(xiàn)的。

既然如此，為什么宇宙膨脹可以超越光速呢？這是因?yàn)橛钪媾蛎浭菚r(shí)空本身的膨脹，并非有質(zhì)量物體的運(yùn)動(dòng)，所以不受上述公式限制?，F(xiàn)在天文物理學(xué)前沿理論認(rèn)為，宇宙膨脹受暗能量推動(dòng)，而星系結(jié)構(gòu)依靠暗物質(zhì)引力維持。這是另一個(gè)話題，在此不深入討論。

從上述介紹我們可以看出，宇宙膨脹速度是疊加計(jì)算的，是整體疊加起來(lái)整個(gè)宇宙膨脹才超過(guò)光速。較近的物體之間分離的速度并不快，比如在距離我們326萬(wàn)光年的地方，星系離開我們的速度才75.35km/s，與光速完全不是一個(gè)量級(jí)。

根據(jù)哈勃定律計(jì)算，在更近距離宇宙膨脹的速率就更慢了，1光年的地方慢到2.3cm/s，有興趣的朋友可以自己演算。而且在近距離，引力效應(yīng)起到了更大的作用，一些星系還會(huì)由于引力作用相互靠攏，比如銀河系和仙女座星系，雖然相隔254萬(wàn)光年，但由于巨大引力相互吸引，正在以每秒300多公里的速度靠近，在未來(lái)40億年內(nèi)，兩個(gè)星系會(huì)發(fā)生碰撞和融合。

這就不是本文談?wù)摰脑掝}了，就此打住。

這就是宇宙年齡才138億歲，卻有930億光年可觀測(cè)直徑的原因。實(shí)際上宇宙不光有可觀測(cè)范圍，還有不可觀測(cè)范圍，這個(gè)范圍有多大，因?yàn)闊o(wú)法觀測(cè)，目前還沒(méi)有任何人能夠給出一個(gè)數(shù)據(jù)，很可能不可觀測(cè)范圍還遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于可觀測(cè)范圍呢。

就是這樣，歡迎討論，感謝閱讀。

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