专栏名称: 超级数学建模
全国首家专业数学建模自媒体,提供数模学习的第一手资料。该平台由多名企业资深KDD专家及国际、国家数模竞赛一等奖得主维护,敬请关注!
目录
相关文章推荐
超级数学建模  ·  限时领 ... ·  4 天前  
超级数学建模  ·  能穿到老的哈灵顿风夹克,真维斯正品79元/件 ... ·  1 周前  
超级数学建模  ·  1³+2³+3³+…+n³=? ·  1 周前  
51好读  ›  专栏  ›  超级数学建模

为什么宇宙的年龄是 130 亿年,而我们却能看到 470 亿光年远的东西?

超级数学建模  · 公众号  · 数学  · 2017-09-04 22:27

正文

麻烦来个

通俗解释


宇宙的年龄约130亿年,可观宇宙半径约为470亿光年。资料在维基百科等很多地方都可以查到。我只是不理解如果光速不可超越的话,怎么会在130亿年时间里产生了470亿光年的距离,并且是人类可观测到的,也就是说还有更远的东西我们目前还无法观测得到呢。求一个通俗易懂简单的解释。


答案其实就在题主自己的题注里的这句话:
“我只是不理解如果光速不可超越的话”

英文是“Nothing is faster than light

这里的“Nothing”对应的是“Empty Space

相对论中的Nothing can't move through space faster than light

但是你不能阻止space自己膨胀


问题要求的是一个通俗的解释

那么这么来看

这是一条非常非常长的路

即便是在没有雾霾的时候

你也根本无法看到底

在路的两边,每隔1米站着一个人

接下来,想象一下路(注意,是路)膨胀

然后你会看到两边的人都在迅速的远离你

然而并不因为他们自己移动了

而是他们脚下的路伸长了


让我们假设你是0号人

你的左边是-1号,-2号·····

你的右边是1号,2号·····:


试着问自己:如果1号人远离0号人也就是你

那么是否意味着1号人离2号人越来越近了呢

不是的,1号人和2号人之间的空间也经历了同样的膨胀!

而这就说明,现在的1号人离你2米(之前离你1米)

2号人离你4米(之前离你2米)

同样的也适用于-1号人和-2号人等等

最远的7号人离你有14米之多(之前离你7米)
对于1号人:2-1=1米

2号人:4-2=2米

7号人:14-7=7米


也就是说

离你越远的人,他们跟你距离的增益越大

为方便理解,可以简单记为空间膨胀的速率越大


现在你正在这样的奇怪的路上开着车

你明确的知道自己的目的地在哪

可是随着旅程的进行,你突然发现

卧槽,怎么开不完了,路越来越多

图片来自car on the acceleration road


而且更为可怕的是

之前还在你前面的车子,突然无法看见了

无论你以多大的速度去追赶,你都看不到了

因为你车下的路在不断膨胀


因为宇宙的空间无处不在的膨胀

138亿年前发射出光线的物质早已远离我们而去

(注意我们上面车子的类比)

实在是远的不能再远了(远大于460亿光年)

图片来自https://www.youtube.com/watch?v=XBr4GkRnY04


但是

由于我们之间的空间也在不断膨胀(注意上面0号小人的类比)

当我们之间的空间膨胀到可以看到138亿年前物体发射出的光时


图片来自https://www.youtube.com/watch?v=XBr4GkRnY04


这时

以我们为中心到以我们能看到的最远的物质的距离为半径

做一个球体

图片来自https://www.youtube.com/watch?v=XBr4GkRnY04


叫做particle horizon(粒子视界)

或者叫做可视化宇宙,可观测宇宙

而这个半径就是460亿光年,直径是930亿光年


图片来自https://www.youtube.com/watch?v=XBr4GkRnY04

可观测宇宙是一个以观测者作为中心的球体空间

小得足以让观测者观测到该范围内的物体

也就是说物体发出的光有足够时间到达观测者

截至2013年对宇宙年龄最精确的估计是137.98±0.37 亿年

但由于宇宙的膨胀,可观测宇宙的半径并不是固定的138亿光年

人类所观测的古老天体当前的距离比起其原先的位置要遥远得多

(以固有距离来衡量,固有距离在现在的时点和同移距离是相等的)

现在推测可观测宇宙半径约为460亿光年,直径约为930亿光年

根据宇宙学原理

从任何方向到可观测宇宙边缘的距离大致是相等的


我知道很多同学是不能满足上面的解答的

首先因为我是搞电池的(WTF,这是什么专业?)

当然更重要的是没有讲哈勃定律

没有这个大牛,宇宙膨胀的故事远远不够

根据哈勃定律(Hubble's law)我们得以明白

宇宙的空间是不断膨胀的


2013年3月21日,从普朗克卫星观测获得的数据

哈伯常数为67.80 ± 0.77 千米每秒每百万秒差距

(67.80 ± 0.77 km/s/Mpc)

我们知道

3.26 light-years(ly,光年)=1 parsec (pc,秒差)=3.085×10^(16) m
那么1Mpc(百万秒差)=3.26×10^(6) ly,也就是326万光年
所以距离观测者326万光年的星系正在以6.78×10^(4) m/s的速度远离

这只是距离326万光年的

那么我们可以看看距离观察者138亿光年的星系远离速率有多大



已经比较接近光速




那么距离观察者200亿光年的星系的远离速率



已经超过光速了


那么距离观察者460亿光年的星系呢



妥妥的超了光速


一个光子被物体发射出后

在一个膨胀的宇宙中

它和发射它的物体之间的远离速度可以表示为




上式中

c是光速,H是Hubble Parameter(哈勃参数)

x(t)是光子和发射它物体之间的距离


稍微走一个变换




初始条件是x(0)=0,所以有




前面算过了

1Mpc(百万秒差)=3.26×10^(6) ly=3.085×10^(19) km

勃参数的单位换成[1/s]

那么




好了,我们知道了哈勃参数的数值

知道宇宙的粗略年龄138亿年

已知条件代入x(t)的表达式

可以得到




也就是231亿光年

但是这个数值比上面说到的可视化宇宙的半径460亿光年小得太多了

肯定不对,哪里错了呢

因为宇宙早期的膨胀速率要大得多
所以用可观测宇宙的半径x(13.8Gy)=46Gly

反推回去




根据




估算出H




这就说明

有效哈勃参数(假设空间膨胀的速率跟大爆炸时候的一样)的数值是

之前算出来的两倍还多

把这个哈勃参数代回到x(t)的表达式




再把这两个式子(前一个有空间膨胀,后一个没有)单位归一化后作图

再清楚不过了


根据哈勃表达式

当时间为138亿年时,对应的可视化半径为460亿光年

修正成功

当然了,真正的计算要比我这个复杂的多


本文由超级数学建模编辑整理

本文资料来源于土豆泥(知乎)

转载请在公众号中,回复“转载”

-----这里是数学思维的聚集地------

超级数学建模”(微信号supermodeling),每天学一点小知识,轻松了解各种思维,做个好玩的理性派。50万数学精英都在关注!