为什么大爆炸后仅仅138亿年，我们却能看见461光年之外的地方？

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大爆炸后仅仅 138 亿年，而我们却可以从各个方向看到 461 亿光年之外的地方。

（图片来源：NASA/CXC/M. Weiss）

宇宙膨胀的视觉历史包括被称为大爆炸的热致密状态以及随后暗物质结构的生长与形成。天文学家包括对轻元素和宇宙微波背景的观测，只留下大爆炸作为对我们对所见一切的有效解释。随着宇宙膨胀和冷却，从而使离子、中性原子，最终形成分子、气体云、恒星，最终形成星系。

关键要点

• 相对论的基本规则是宇宙有一个速度限制——光速，没有什么可以打破它。

• 然而，当我们观察最远的物体时，虽然它们的光传播了不超过 138 亿年，但它们看起来比138亿年更远。

• 实际上它们并没有打破光速的；它们只会打破我们对现实应该如何表现的过时的、直觉的观念。

相信大多数人都知道一条关于宇宙的规则，那就是一个任何事物都无法超越光速。如果你是一个大质量粒子，你不仅不能超过那个速度，而且你永远也达不到它；你只能接近光速。如果你没有质量，那你只能以一种速度在时空中移动：如果你在真空中，则为光速；如果你在介质中，则为较慢的速度。你在空间中的运动越快，你在时间中的运动就越慢，反之亦然。没有办法回避这些事实，因为它们是相对论所基于的基本原理。

然而，宇宙中的某些天体似乎违背了我们的常识性逻辑。通过一系列精确的观测，我们确信宇宙的年龄是 138 亿年。但目前我们所见最遥远的星系是詹姆斯韦伯望远镜拍摄到的JADES-GS-z13-0星系，它距离我们有 330 亿光年；我们看到的最远的光对应于目前 461 亿光年之外的一个点。

然而，上述的这些发现都没有打破光速或相对论定律；它们只会打破我们对事物应该如何表现的直觉观念。这是每个人都应该了解的关于宇宙膨胀和光速的知识。

（图片来源：Networkologies 和普拉特研究所的 Christopher Vitale。）

宇宙中的质量体会导致本来是“直线”的线变成弯曲特定量的线。在广义相对论中，爱因斯坦将空间和时间视为连续的，但他认为所有形式的能量和质量都会导致时空弯曲。

任何物体都无法超越光速意味着什么？

• 当你观察一个物体时，你可以跟踪它的运动，还可以观察它的位置是如何随时间变化而变化的。

• 当你看到它时，你可以记录它观察到的位置和你观察到它的时间。

• 然后，通过使用速度的定义:距离÷时间=速度

• 因此，无论是观察有质量的物体还是无质量的物体，你得到的速度永远都不会超过光速，否则就会违反相对论。

这在我们大多数的情况下都是正确的，但并非没有例外。特别是这些都包含一个我们几乎从未考虑过的假设。

关于这个假设:一个平坦、不弯曲、不变的空间，我们考虑三维宇宙时，我们通常会想到这种空间。我们大多数人也设想做一些事情，比如在我们看到的一切之上放置一个三维的“网格”，并尝试用一组四个坐标来描述位置和时间，每个坐标对应 x、y、z 和时间维度.

图片来源：Larry McNish/RASC Calgary）

如果在膨胀的宇宙中有足够的时间，远处物体发出的光也终将会到达我们的眼睛的。然而，如果一个遥远星系的后退速度达到并保持在光速之上，我们就永远无法到达它，即使我们可以接收到来自它遥远过去的光。

换句话说，我们大多数人都了解狭义相对论的基本概念，即“没有什么比光运动得更快”的一部分，但没有意识到仅靠狭义相对论无法准确描述真实的宇宙。相反，我们需要考虑到宇宙有一个动态的时空结构支撑它，只有物体在那个时空中的运动才符合狭义相对论的定律。

在我们的共同概念中没有包含的是空间结构与这种理想化的平面三维网格的不同方式，其中每个连续的时刻都由一个普遍适用的时钟来描述。相反，我们必须认识到我们的宇宙遵循爱因斯坦广义相对论的规则，而这些规则决定了时空的演化方式。尤其是：

• 空间本身可以膨胀或收缩

• 空间本身可以正向或负向弯曲，而不仅仅是平坦的

• 相对论适用于在空间中移动的物体，而不适用于空间本身

换句话说，当我们说“没有什么能比光移动得更快”时，我们的意思是“没有什么能比光在空间中移动得更快”，但是物体在空间中的运动并没有告诉我们空间本身将如何演化。或者，我们只能断言，相对于时空中同一位置或事件的另一个物体，没有什么比光移动得更快。

埃德温·哈勃 (Edwin Hubble) 最初绘制的星系距离与红移关系图（左），建立了膨胀的宇宙，与大约 70 年后更现代的对应物（右）进行了比较。与观测和理论一致，宇宙正在膨胀。

所以，没有什么比光在空间中移动得更快，但空间本身的变化方式又如何呢？从上文可知我们生活在一个膨胀的宇宙中，并且我们已经测量了空间结构本身膨胀的速率——哈勃常数。我们甚至精确地测量了该速率，并且可以确定，根据我们进行的所有测量和观察，当前的膨胀速率恰好在 66 到 74 km/s/Mpc 之间：km/s每百万秒差距。

但是空间在膨胀意味着什么呢？

一个遥远且不受约束的物体距离我们每百万秒差距（约 326 万光年），我们就会看到它从我们身边退去，就好像它正在以相当于 66-74 公里/秒的速度远离我们。如果某物距离我们 20 Mpc，我们希望看到它以相当于 1320-1480 公里/秒的速度远离我们；如果距离为 5000 Mpc，我们预计它会以约 330,000-370,000 公里/秒的速度移动。

但这令人困惑，原因有二。第一，它实际上并不是以那个速度在空间中移动，而是物体之间的空间扩大的效果。第二，光速是 299,792 公里/秒，那么那个距离我们约 5000 Mpc 的假设物体是否真的以超过光速的速度远离我们？

膨胀宇宙的“葡萄干面包”模型，其中相对距离随着空间（面团）的膨胀而增加。任何两个葡萄干彼此之间的距离越远，到接收到光时观察到的红移就越大。膨胀宇宙预测的红移-距离关系在观测中得到证实，并且与自 1920 年代以来一直已知的情况一致。

科学家们喜欢用“葡萄干面包”模型来思考膨胀的宇宙。想象一下，你有一团面团，里面全是葡萄干。现在想象面团发酵，向各个方向膨胀，现在，如果你把手指放在一颗葡萄干上，你会看见:

• 随着它们之间的面团膨胀，离你最近的葡萄干似乎会慢慢远离你。

• 距离较远的葡萄干似乎移动得更快，因为它们和你之间的面团比距离较近的葡萄干多。

• 距离更远的葡萄干似乎会越来越快地离开。

现在，在我们这里的类比中，葡萄干就像星系或束缚的星系团/星系团，面团就像膨胀的宇宙。但在这种情况下，代表空间结构的面团无法被看到或直接检测到，实际上并没有随着宇宙膨胀而变得不那么致密，只是为葡萄干或星系提供了一个栖息的“环境”。

（图片来源：E. Siegel/Beyond the Galaxy）

由于体积的增加，随着宇宙的膨胀，物质和辐射的密度会降低，而暗能量是空间本身固有的一种能量形式。随着在膨胀的宇宙中产生新的空间，暗能量密度保持不变。

膨胀率取决于给定空间体积中“物质”的总量，因此随着宇宙膨胀，它会稀释并且膨胀率下降。因为物质和辐射是由固定数量的粒子组成的，随着宇宙的膨胀和体积的增加，物质和辐射的密度都会下降。辐射密度的下降速度比物质密度快一点，因为辐射的能量是由它的波长决定的，随着宇宙的膨胀，波长也会伸展，导致它失去能量。

另一方面，“面团”本身在空间的每个区域都包含有限的、正的、非零的能量，并且随着宇宙的膨胀，能量密度保持不变。当物质和辐射密度下降时，“面团”（或空间）本身的能量保持不变，这就是我们观察到的暗能量。在包含所有这三种物质的真实宇宙中，我们可以自信地得出结论，宇宙的能量收支在前几千年由辐射主导，然后在接下来的几十亿年内由物质主导，然后由暗能量主导。据我们所知，暗能量将永远主宰宇宙。

宇宙的预期命运（前三个插图）都对应于一个物质和能量共同对抗初始膨胀率的宇宙。在我们观察到的宇宙中，宇宙加速是由某种暗能量引起的，这是迄今为止无法解释的。所有这些宇宙都由弗里德曼方程支配，该方程将宇宙的膨胀与其中存在的各种物质和能量联系起来。

到了最烧脑的部分了。每次我们看一个遥远的星系时，我们都会看到它现在发出的光：在它到达时。这意味着发出的光会产生一系列综合效应：

• 从它发射的地方到它到达的地方的重力势能之间的差异

• 发射物体通过其空间的运动与吸收物体通过其局部空间的运动的差异

• 宇宙膨胀的累积效应，会拉长光的波长

（图片来源：Rob Knop。）

这个简化的动画展示了在不断膨胀的宇宙中，光是如何红移的，以及未绑定物体之间的距离是如何随时间变化的。请注意，物体开始时比光在它们之间传播所需的时间更近，光由于空间膨胀而发生红移，并且两个星系结束时比光子交换的光传播路径更远它们之间。

来自远处物体的光确实发生了红移，但这并不是因为任何事物的后退速度都比光速快，也不是因为任何事物的膨胀速度都比光速快。空间只是膨胀；是我们习惯用“速度”来定义，因为那是我们所熟悉的。

（图片来源：Ned Wright/Betoule 等人（2014 年））

无论今天的膨胀率是多少，结合你们宇宙中存在的任何形式的物质和能量，都将决定红移和距离如何与我们宇宙中的河外物体相关。

究竟是什么导致了宇宙在不断膨胀？

我们面临的一个困难是我们无法实际测量远处物体的速度。我们可以通过各种代理来测量它的距离，比如它有多亮/多暗，或者它在天空中的显示有多大/多小，假设我们知道或可以计算出它本质上有多亮或多大。我们还可以测量它的红移，或者如果我们处于精确的位置并且在发射光的相同精确条件下，光是如何“移动”的。由于我们熟悉波因多普勒效应（例如声波）如何移动，所以这种移动通常被转化为衰退速度。

但是，我们并没有测量实际速度；我们正在测量运动的累积影响加上宇宙膨胀的影响。当我们说“宇宙正在加速”时，我们的实际意思是如果你在宇宙膨胀时观察同一个物体是，它不仅会继续与你越来越远，而且你从这个物体接收到的光将继续显示出不断增加的红移，这使得它看起来好像在加速远离你。

但实际上，红移是由于空间的膨胀，而不是因为星系越来越快地远离你。如果我们随着时间的推移实际测量膨胀率，它仍在下降，并最终将渐近到一个有限的、正的和非零的值；这就是生活在暗能量主导的宇宙中的意义。

（图片来源：维基共享资源的 Andrew Z. Colvin 和 Frederic Michel；注释：E. Siegel）

我们可见宇宙的大小（黄色），以及我们光信号可以达到的距离（洋红色）。可见宇宙的极限是 461 亿光年，因为这是发射光的物体在远离我们 138 亿年之后的距离的极限。然而，在大约 180 亿光年之外，即使我们以光速行进，我们也永远无法进入星系。

那么，是什么决定了膨胀宇宙中的“距离”呢？

当我们谈论到膨胀宇宙中某个物体的距离时，我们总是以：当来自这些遥远物体的光到达地球。我们知道，我们看到的是这些物体在遥远过去的样子，而不是它们今天的样子。

但是当我们谈论“这个物体有多远”时，我们并不是在问它发出我们现在看到的光时离我们有多远，我们也不是在问光已经存在了多长时间在途中。相反，我们要问的是，如果我们能以某种方式“冻结”宇宙现在的膨胀，那么这个物体此刻离我们有多远。观测到最远的星系 GN-z11 在 134 亿年前发出了现在到达的光，距离我们约 320 亿光年。如果我们能一直看到大爆炸那一刻，我们就会看到 461 亿光年之外，如果我们想知道最远的物体，其光还没有到达我们，但总有一天会我们能见度能突破610亿光年

但是，仅仅因为您可以看到它，并不意味着您可以到达它。目前，距离我们 180 亿光年以外的任何物体仍会发光，并且这种光会穿过宇宙，但空间结构只会无情地膨胀到无法到达我们这里。随着每一秒的过去，每个未相互束缚的天体都会移动得越来越远，并且以前可访问的天体会变得永远无法访问。在膨胀的宇宙中，没有什么比光移动得更快，这既是福也是祸。除非我们弄清楚如何克服这个问题，否则除了最近的星系之外，所有星系都可能永远无法触及。