宇宙的膨胀速度之谜,至少在两个关键的瞬间,它的速度超越了光速的界限。
首先是在宇宙大爆炸诞生的前一刻,即不到第一秒的时间里,发生了一次令人瞩目的加速扩张,这次加速超越了光速很多倍数;其次,在现今的宇宙中,根据最新测量的哈勃常数所示,宇宙膨胀的速度依旧是光速的三倍有余。
至于在这两个时间点之间的宇宙膨胀速度如何,是否经历了其他的加速扩张阶段,目前科学界尚未有定论。
以上提到的两个膨胀事件,都得到了大量科学观测数据的支持,或者是基于严谨的数学模型所推演出来的,并非空穴来风。正因为宇宙的超光速膨胀,才使得我们的宇宙尽管只有138.2亿年的历史,可观测的直径却能达到930亿光年的惊人规模。
此外,我们的宇宙还存在着一个不可见部分,它的规模有多大,目前科学界尚在探索中。
宇宙大爆炸理论经过了逾百年的讨论与研究,其理论体系不断完善,获得了越来越多的观测证据与实验数据的支持,这个理论能够完美融合多种宇宙现象。
因此,大爆炸宇宙论成为了目前解释宇宙状态的最优理论,也被科学界广泛接受,成为标准的宇宙理论。
科学家们的每一项新发现或理论,都是基于大量的严谨数理逻辑论证或观测数据的。近来,有一些人无端地否认大爆炸理论,这些人对相关领域了解不深,甚至一无所知,仅凭主观臆断就随意否定科学界的重大发现和理论。这类人通常对科学缺乏尊重,甚至表现出反智、反科学的态度。
然而,为何我们在夜空中看到的星体似乎千年如一,而宇宙却在超光速膨胀呢?这是一个值得与热爱科学知识的人们探讨的问题。
如前文所述,宇宙在大爆炸之初经历了一次剧烈的膨胀,即在10的负36次方秒至10的负32次方秒的瞬间,发生了指数级的扩张。宇宙在短短的时间内经历了2的100次方次的加速,体积扩大至原来的10的30次方倍。这何其惊人的膨胀速度,又比光速快了多少倍?数学爱好者可以尝试计算一下,如果初始的宇宙体积为1毫米,那么经过这次膨胀,它的体积达到了多少?当然,关于宇宙在膨胀前的体积,科学界尚未达成共识。
然而,这次剧烈的膨胀虽令人震撼,我们却无法目睹。因为宇宙在历经30万年后才发出第一道光芒,在这期间宇宙的膨胀幅度仍是未知之谜。这是宇宙的第一个视界,也称之为过去视界,属于我们无法探知的阶段。
目前,宇宙的膨胀仍在继续,且速度超越光速,这一点已由科学界通过哈勃常数的测量得到确认。
哈勃常数正是基于哈勃定律所测得的宇宙膨胀速度。2013年,欧洲航天局公布了普朗克卫星的最新测量结果,得出的哈勃常数为67.80±0.77(km/s)/Mpc。
这个数值的意义在于,每隔326万光年(百万秒差距),远离我们的星系的速度将增加67.8公里,误差范围为0.77公里。这个数据根据距离平均增加,据此计算,我们可观测宇宙的边缘星系远离我们的速度可达每秒96.7万公里,也就是光速的三倍有余。
这一结论建立在宇宙的均匀各向同性膨胀的观测之上。
所谓宇宙膨胀的各向同性与均匀性,意味着从任一方向观察,等距离的星系都以同样的速度远离我们,且越近的速度越慢,越远的速度越快,显示出一种均匀的膨胀模式。
这就表明我们的宇宙没有中心,就像一个正在膨胀的气球,在膨胀的过程中,所有的星系都在相互远离,且越远的星系远离的速度越快。
我曾以插竹竿作为比喻,来说明宇宙膨胀的速度加成。每隔1米插入一根竹竿,假如有100根竹竿,那么最远的那根距离我们100米。宇宙的膨胀就是每一根竹竿都在同时相互远离,每根竹竿之间的距离都增加1米,那么最远的那根竹竿距离我们就增加了200米。
宇宙膨胀的速度就是这样计算的。以哈勃常数来衡量,326万光年相当于一根竹竿,465亿光年则需要插入14263.8根竹竿,每根竹竿之间每秒增加67.8公里的距离,最远的一根则达到了每秒96.7万公里,也就是光速的3.22倍。
最新的科学研究对哈勃常数进行了更为精确的测量,并且对误差进行了修正,这个数值比之前有所增长,意味着宇宙的膨胀速度可能比我们想象的还要快。
这涉及到宇宙年龄的问题,并不属于本文的讨论范围,此处不作过多展开。
如前所述,所谓的宇宙超光速膨胀,是指整个宇宙的膨胀速度超越了光速,而并非每个星系间的相互远离速度超过了光速。因此,根据哈勃常数,我们可以很容易地计算出每1光年的膨胀速度,大约为每秒20厘米左右。
而我们肉眼所能看见的夜空中的恒星,最远的有几千光年之遥,最近的约4光年。绝大多数的恒星距离我们都在一二百光年的范围内。
比如北斗七星,它们中的大多数距离我们都在七八十光年之外,最远的为124光年,平均距离约为87光年。根据哈勃常数,它们的膨胀速度约为每秒17.4米,也就是每年约55万公里。对于1光年的距离,即9.46万亿公里,按照每年膨胀速度55万公里来计算,北斗七星移动1光年需要约1720万年。
也就是说,在1720万年内,北斗七星的移动变化在我们看来仅有1/87的变化。这样的移动速度,用肉眼在短期内或几千年内能否察觉出来呢?
实际上,恒星的移动并不仅仅是因为宇宙膨胀,尤其是距离较近的恒星或星系,它们的移动主要受到引力和运行规律的影响,这个因素导致的变化远大于膨胀所带来的影响。因此,像北斗七星这样的星群在10万年间就会有显著的变化。这个问题已经有过讨论,感兴趣的读者可以进一步了解。
因此,我们必须正确理解宇宙整体膨胀与近距离星系恒星变化的关系,以便更好地理解大爆炸理论。此外,还需要明确的是,宇宙膨胀是空间的膨胀,其速度不受光速的限制,这也不会影响狭义相对论关于光速是宇宙中最高速度,以及任何具有静止质量的物质都无法达到光速的结论。
我们还需清楚,465光年半径的可观测宇宙并不是整个宇宙的全貌。
前文曾提及的宇宙过去视界,是我们无法观测的;现如今宇宙的高速膨胀,必然意味着某些最遥远的星系发出的光线永远无法到达我们的视线,也就是说,有一部分宇宙是我们永远无法观测的,这构成了所谓的未来视界。
过去视界与未来视界共同组成了不可观测的宇宙,它的大小我们尚不得而知。因此,整个宇宙的实际大小,目前仍是个谜。
但有一点可以肯定,这个宇宙是动态的,是有边界的。这个观点自从相对论的出现以及宇宙膨胀的发现以来就已经确立,它建立在否定经典静态无限宇宙论的基础之上。