天天看點

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?

作者:資深科普君

導語

“宇宙”這個名稱最早可以追溯到西方古希臘時期,當時人們對宇宙的概念尚不明确,認為宇宙是萬物存在的空間,或者是一切物質的來源,但随着人類對宇宙的認知不斷深入,對宇宙的概念也在不斷演變。

在古代,人們對宇宙的概念比較簡單,認為宇宙包含時間和空間兩個次元,但随着物質的不斷發現,人們逐漸認識到宇宙中存在着許多不同形态的物質,是以對宇宙的定義也逐漸延伸,不再僅僅是時間和空間,而是包括一切物質。

那麼早在什麼時候,人們就已經認識到宇宙的概念呢?

宇宙又是怎麼形成的?

宇宙的年齡又是多少?

宇宙的大小又是多少?

這兩個資料之間又産生了什麼沖突?

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?

一、宇宙的起源和演化。

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?

在古代,人們認為宇宙是萬物存在的空間,或者是一切物質的來源,對宇宙的定義也比較簡單,隻包含時間和空間兩個次元,但是随着時間的推移和認知水準的不斷提高,對宇宙的認識也不斷發展和演變。

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?

公元前5世紀,希臘哲學家克拉提亞斯就認為宇宙是自然存在的,不需要任何神的幹涉,這是對宇宙的第一次自然主義解釋;

在此基礎上,亞裡士多德又認為宇宙是由五種元素組成的,分别是火、氣、土、水以及以太,是由恒星和星體組成的天體系統。

然而,在17世紀,盧卡希亞諾·布爾哲在他的著作《宇宙的結構》中,提出了一個新的概念,認為宇宙除了由物質組成外,還包括了運動、發展等多個方面,是一個動态的整體;

在20世紀,愛因斯坦在發表廣義相對論後,将引力場與時空場結合在一起,提出了一個新的概念,即引力場構成了四維時空場,是以宇宙不僅包含時間和空間,還包含引力場。

随着人們對宇宙的認知不斷深入,對宇宙的概念也逐漸豐富起來,宇宙不再是簡單的時間和空間,還包括一切物質,宇宙是由時間、空間和一切物質共同組成的,宇宙是一個複雜的、動态的整體。

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?

在人類快速發展的這138億年中,宇宙也經曆過數次大事件,從大爆炸到不斷膨脹,從最初的誇克等基本粒子到今天的物質構成,經曆了無數代的星體的形成和毀滅,形成了如今這個神秘浩瀚的星空。

在宇宙誕生後的380000年内,物質的密度和溫度已經降低到了允許原子核被電子包裹的程度,這也導緻了當時的宇宙中充滿了原子核和電子,光子與電子之間的碰撞導緻光子無法自由飛翔,形成了“光子大海”。

而在380000年以後,随着宇宙不斷膨脹,物質的密度和溫度也逐漸降低,光子和原子核之間的碰撞變得非常罕見,光子大海中的光子開始自由飛翔,這也就意味着宇宙中出現了“透明”現象。

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?

在宇宙出現“透明”後,光子就可以自由穿透宇宙中的物質,并且不斷向外傳播,而當光子傳播到宇宙膨脹的邊界處時,不斷受到宇宙膨脹的影響,波長就會不斷拉長,變成紅移波,而這些紅移波經過不斷的觀測和計算,最終形成了宇宙大爆炸的理論。

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?

而根據目前的觀測資料,這一宇宙大爆炸理論也得到了驗證,宇宙的年齡約為138億年,但是在宇宙大爆炸學說中,宇宙誕生時是一個點,後來不斷膨脹,形成了如今的樣子。

那麼根據這一理論,宇宙的直徑應該是跟随宇宙不斷膨脹而增加的,而宇宙的半徑就代表了宇宙的年齡,直徑與年齡成正比。

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?

是以,根據宇宙不斷膨脹的速度和膨脹到現在這個樣子的時間,可以計算得出宇宙的半徑是138億光年,而根據光速的速度和宇宙的年齡,可以計算出宇宙的直徑是1380億光年,這就産生了一個沖突,宇宙的直徑是1380億光年還是930億光年?

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?

二、宇宙半徑與年齡之矛。

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?

根據宇宙大爆炸學說,宇宙是由一個點爆炸而成的,由于宇宙誕生時沒有空間的概念,是以這一點也沒有絕對位置,隻能說是宇宙爆炸的中心,人們通常将這一點位置稱為“宇宙中心”。

當宇宙開始膨脹後,這一點的所在位置也一直保持在宇宙中心,但是随着宇宙的不斷膨脹,人們對宇宙的認知也逐漸演變,認為宇宙是無限的,但是在無限的宇宙中,如何确定宇宙的中心呢,這也就導緻了人們不再認為宇宙是膨脹成一個球體的,而是膨脹成了一個無限大的平面。

是以,人們就将宇宙的直徑和半徑的概念引入到了宇宙中,根據這一理論,直徑就是從一個邊緣到另一個邊緣的距離,半徑就是從一個邊緣到宇宙的中心的距離,同時,這一理論也解釋了為什麼宇宙的半徑是138億光年。

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?

但是在2018年,人們就對這一理論進行了進一步的驗證,他們利用歐洲空間局進行的引力波觀測,對宇宙的大小進行了重新的計算,最終得出了結論,宇宙的半徑是465億光年,這與宇宙的年齡相差很遠。

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?

為什麼同樣的理論,不同的人卻對宇宙的大小産生了不同的結論?

事實上,這一理論并沒有錯,之是以會有這一沖突,是因為光子傳播的影響,當光子在宇宙中不斷傳播時,會受到物質的引力影響,是以會受到一定的偏移,并且光子傳播的速度也不是無窮大的,有一定的傳播速度。

在宇宙誕生後的380000年内,光子和物質之間的碰撞會使光子無法自由傳播,是以會遇到“光子大海”的阻礙,但是在380000年之後,光子就會逐漸自由傳播了,并且在宇宙中,光子的傳播速度是有限的,而物質之間的距離是無限的。

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?

是以,光子在不斷傳播的過程中,會受到宇宙的膨脹和物質之間的引力的影響,是以光子就會受到一定的偏移,并且在380000年後,宇宙物質的密度就會比較稀薄,是以光子之間的碰撞會少,光子就會以直線傳播,但是在宇宙中存在着許多恒星、星系等物質。

這些物質會對光子産生折射,在經過無數次的折射後,光子就會受到一定的偏轉,是以在光子穿過遙遠的宇宙時,會受到很多因素的影響,最終形成了宇宙微波背景輻射,而這一輻射就相當于一個天體的外層邊界。

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?

當人們觀測這一輻射時,就會認為,宇宙的直徑是宇宙微波背景輻射所能到達的地方,是以根據這一理論進行計算,得出宇宙的直徑是465億光年,而這一結果與宇宙的半徑是138億光年相一緻,是以就産生了這一沖突。

三、宇宙大小和年齡的推測。

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?

但是有一顆恒星“瑪土撒拉”(Matusalem),它是宇宙中一顆壽命非常長的恒星,它的壽命可以達到“1380億年”,這就與宇宙的年齡138億年産生了沖突,那麼為什麼它的壽命會比宇宙的年齡還大呢?

事實上,人們對宇宙的起源和演化一直存在着許多的疑惑,宇宙大爆炸理論是目前流行的宇宙起源理論,人們也根據這一理論對宇宙的年齡和大小進行了推測,但是這一理論仍然存在着許多未知,無法解釋一些現象。

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?

是以,人們就從多個角度對宇宙進行重新的觀察和研究,利用多個天文觀測裝置,對宇宙進行觀測,并且在2015年,人們又發現了新的證據,即暗物質對宇宙的影響,這也使人們對宇宙的年齡産生了懷疑。

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?

在2015年,人們發現了一種新的物質,稱為“暗物質”,這種物質與一般的物質不同,它是由一種粒子組成的,這種粒子與一般的物質粒子不同,它是無法被探測的,但是它對一般的物質粒子有引力,是以可以對宇宙的形成産生影響。

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?

在宇宙大爆炸過程中,暗物質就會對宇宙産生引力,使宇宙不斷擴大,在宇宙的膨脹過程中,暗物質不斷融合,最終形成恒星、星系等物質,是以暗物質對宇宙的形成産生了巨大的影響。

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?

但是這一理論也存在着不同的觀點,有人認為,暗物質是一種未知的物質,它與一般的物質粒子不同,但是其性質仍然是未知的,暗物質對宇宙的形成産生了很大的影響,但是其具體産生的過程仍然是未知的。

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?

是以,人們就有一種新的理論,即平行宇宙理論,根據這一理論,宇宙是由多個平行的宇宙組成的,而這些平行宇宙在不斷的發展和演化,它們之間存在着許多的差異,根據這一理論,就解釋了宇宙中的差異。

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?

但是這一理論也存在着不同的觀點,有人認為,平行宇宙是一種未知的宇宙,它與我們的宇宙不同,但是其具體的性質仍然是未知的,是以,人們就對宇宙的年齡和大小進行了重新的推測,但是這些都仍然是未知的。

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?

結語

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?

宇宙的起源和演化是一個複雜而神秘的課題,人們對宇宙的認知仍然是不斷深入的,但是宇宙仍然存在着許多未解之謎。

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?

是以,人們就不斷對宇宙進行研究和探索,希望能夠揭示宇宙的真實面貌,但是這一過程将會是非常艱辛的,是以人們就對宇宙的認知需要謙遜和開放的心态。

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?