Question

在一个138亿年前的宇宙中，我们怎么能看到461亿光年远的地方？

Answer 1

如果我们实验确定宇宙中有一个常数，那就是真空中的光速c。不管光在哪里，何时，或朝哪个方向传播，它以每秒299792458米的速度，每年传播1光年（约9万亿公里）。大爆炸已经有138亿年了，这可能会让你想到我们能看到的最远的天体是138亿光年远的。但不仅如此，我们能看到的最远距离是138亿光年距离的三倍多：461亿光年。

如果宇宙的年龄是138亿年，我们怎么能探测到任何距离我们超过138亿光年的信号呢？

我们可以从想象一个宇宙开始，在那里我们能看到的最遥远的物体实际上是138亿光年远。要做到这一点，必须有一个宇宙：

如果你想象你的宇宙是一个三维的网格，有一个X，Y，Z轴，空间本身是固定不变的，这是可能的。在遥远的过去，天体会发出光，光会穿过宇宙，直到它到达我们的眼睛，我们会在“数年”之后收到与光所经过的“光年”数相同的“光年”。

不幸的是，这三个假设都是错误的。首先，天体之间不会保持固定的距离，而是可以自由地在它们所占据的空间中移动。宇宙中所有的大量和能量天体相互引力作用使它们移动并加速，聚集在一起，如星系和星系团，而其他区域则变得没有物质。

这些力会变得极其复杂，从星系中踢出恒星和气体，产生超快的超高速物体，并产生各种加速度。我们所感知到的光将根据我们与观察对象的相对速度而红移或蓝移，光的传播时间不一定与任何两个对象之间的实际当前距离相同。

这最后一点非常重要，因为即使在空间是静止的、固定的、不变的宇宙中，天体仍然可以穿过它。我们甚至可以想象一个极端的例子：一个天体位于距离我们138亿光年的约138亿年前，但以非常接近光速的速度离开我们。

那光仍将以光速向我们传播，以138亿年的时间跨度穿越138亿光年。但当这束光到达今天时，这个物体的距离可能是现在的两倍：如果它以接近光速的速度任意离开我们，距离我们的距离可能高达276亿光年。即使空间的结构没有随着时间的推移而改变，但我们今天可以看到的许多物体可能离我们138亿光年远。

唯一的问题是，它们的光最多可以传播138亿光年；天体发出这种光后如何移动无关紧要。

但空间结构也不是恒定的。这是爱因斯坦的重大启示，使他形成了广义相对论：空间和时间都不是静止的或固定的，而是形成了一种称为时空的结构，其性质取决于宇宙中存在的物质和能量。

如果你要取一个平均充满某种形式物质或能量的宇宙，不管它是正常物质、暗物质、光子、中微子、引力波、黑洞、暗能量、宇宙弦，或者两者的任何结合——你会发现空间结构本身是不稳定的：它不能保持静止不变。相反，它必须要么膨胀要么收缩；天体之间的巨大宇宙距离必须随着时间而改变。

从1910年代和1920年代开始，观察开始证实了这一点。我们发现天空中的螺旋状和椭圆形星云是我们自己以外的星系，我们测量了它们的距离；我们发现它们越远，它们的光就越红移。

在爱因斯坦广义相对论的背景下，这得出了一个肯定的结论：宇宙正在膨胀。

这比人们通常意识到的还要深刻。空间结构本身并不是随时间而保持不变，而是不断膨胀，推动着彼此之间没有引力束缚在一起的物体。就好像单个星系和星系团是葡萄干嵌入在一个看不见的（类似空间的）面团的海洋中一样，当面团发酵时，葡萄干就被推开了。这些对象之间的空间会扩大，从而导致单个对象看起来彼此之间的距离变小。

这对我们观察背后的意义有着巨大的影响。当我们观察一个遥远的物体时，我们不仅仅看到它发出的光，也不仅仅看到光被光源和观察者的相对速度所移动。相反，我们看到了膨胀的宇宙是如何从膨胀空间的累积效应中影响到光的，这些累积效应发生在它的旅程中的每一点上。

如果我们想 探索 我们能看到的距离的绝对极限，我们会寻找尽可能接近138亿年前发出的光，这些光今天才刚刚到达我们的眼睛。我们会根据我们现在看到的光来计算：

在这一点上，我们不仅为少数天体做到了这一点，而且还为数以百万计的天体做到了这一点，从我们自己的宇宙后院到300多亿光年之外的物体。

你问，这些天体怎么可能在300亿光年之外？

这是因为任何两点之间的空间——比如我们和我们观察的天体——随着时间的推移而扩大。我们所见过的最远的天体已经有134亿年的光程向我们移动；我们现在看到的是大爆炸后的4.07亿年，也就是宇宙现在年龄的3%。我们观察到的光被红移了大约12倍，因为观察到的光的波长比发出时长1210%。在那134亿年的旅程之后，这个天体现在距离地球约321亿光年，与不断膨胀的宇宙一致。

基于我们所做的全套观测，不仅测量物体的红移和距离，还测量宇宙大爆炸（宇宙微波背景）的余辉，星系的聚集和宇宙大尺度结构的特征，宇宙、引力透镜、星系群碰撞、任何恒星形成前产生的光元素的丰度等等——我们可以确定宇宙是由什么构成的，以及比例。

今天，我们最好的估计是，我们生活在一个由以下组成的宇宙中：

这符合我们所有的数据，并导致了一个独特的膨胀 历史 ，可以追溯到大爆炸的那一刻。从中，我们可以提取出可见宇宙大小的一个独特值：各向461亿光年。

如果我们在一个有138亿年 历史 的宇宙中所能看到的极限真的是138亿光年，那将是一个非同寻常的证据，证明广义相对论都是错误的，物体不能随时间从一个位置移动到宇宙中更遥远的位置。大量的观测证据表明，物体确实在运动，广义相对论是正确的，宇宙正在膨胀，并由暗物质和暗能量的混合所支配。

当你把所有已知的东西都考虑进去时，我们发现一个宇宙，它始于大约138亿年前的一次大爆炸，此后一直在膨胀，其最远的光可以从距离我们461亿光年远的物体射向我们。在最遥远的宇宙边界，我们与我们所观察到的遥远的、未受束缚的空间之间的空间，继续以每年6.5光年的速度膨胀。随着时间的推移，宇宙的遥远之处天体将从我们的视眼中消失。