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？
-09-20
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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）膨胀了
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
在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/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/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/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/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
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
把哈勃参数的单位换成[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
把已知条件代入x(t)的表达式中
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)的表达式中
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
via：土豆泥（知乎）
编辑：Jade
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