宇宙探索 4天前

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有這樣的問題,，證明一些人對光年概念的理解還有點(diǎn)混沌,。光年只是一個(gè)距離單位，但因?yàn)橛晒馑俸蜁r(shí)間來定義,，所以經(jīng)常有人把它與時(shí)間概念混淆,。

“光年，指光跑一年的距離,。”這句話沒錯(cuò)但沒說完,，少說了一個(gè)前提，那就是在靜止的平直空間前提下,。忽略了這個(gè)的前提,，才會(huì)有題主的疑問。

在膨脹的宇宙中，光跑一年的距離遠(yuǎn)不只一光年,。所以在138億年的時(shí)間中,，光可以達(dá)到460億光年（可視宇宙半徑）之遠(yuǎn)，并不是什么悖論問題,。如果說,，宇宙年齡有138億年，可視宇宙的直徑有282億秒差距（1秒差距=3.26光年）,，你或許就感覺不到悖論的意味了,。

我們?nèi)绾闻卸ㄓ钪婺挲g？

現(xiàn)在我們對宇宙有138億年的認(rèn)知,，來源于2015年歐空局普朗克衛(wèi)星收集到的宇宙信息,，然后使用Λ-冷暗物質(zhì)（ΛCDM）宇宙模型，而計(jì)算出來的結(jié)果,。相應(yīng)的計(jì)算公式如下：

這個(gè)公式對于普通人來說太復(fù)雜,，而我們一般可以用哈勃常數(shù)來求宇宙年齡的近似解。

1929年,，美國天文學(xué)家哈勃(EdwinPowellHubble)根據(jù)他與米爾頓·修默生在威爾遜山天文臺近十年觀測到的天文數(shù)據(jù),，為宇宙總結(jié)出來一條十分簡潔清晰的描述：所有星系都在遠(yuǎn)離我們，且退行速度與離我們的距離成正比,，這句簡單的描述就是哈勃定律( Hubble's law ),。

公式為：Hc = Vf/D
參數(shù)說明：Vf：Velocity ( Far Away ) 遠(yuǎn)離速率 單位：km / sHc：Hubble's Constant 哈勃常數(shù) 單位：km / (s·Mpc)D：Distance 相對地球的距離 單位：Mpc 百萬秒差距

哈勃定律中說的星系退行速度實(shí)際上就是宇宙的膨脹速度。如果逆向思考哈勃定律,，宇宙將會(huì)在一個(gè)有限時(shí)間內(nèi)收縮為一個(gè)點(diǎn),，所以哈勃定律的提出暗示了宇宙有一個(gè)起點(diǎn)，也成了當(dāng)時(shí)宇宙大爆炸理論的有力佐證,。

根據(jù)哈勃常數(shù)的定義來看,，哈勃常數(shù)Hc倒數(shù)就對應(yīng)著宇宙年齡，其單位為萬億年,。

而要確定哈勃常數(shù)最主要就是要確定目標(biāo)星系與我們的距離,。由于測量方法與測量精確度的問題，我們對星系距離的估算變化,，讓哈勃常數(shù)成為了最難被測定的一個(gè)常數(shù),，或者說它時(shí)常都在變化。

哈勃常數(shù)的變遷史,？

在宇宙中測量遙遠(yuǎn)天體的距離,，大致靠的都是光度法來測量。光度學(xué)是研究光強(qiáng)弱的學(xué)科,。在天文學(xué)中,，光度是物體每單位時(shí)間內(nèi)輻射出的總能量,，即輻射通量。通過它我們可以推測出恒星的質(zhì)量,，以及距離,。

我們又經(jīng)常用已經(jīng)知道光度的天地來做標(biāo)準(zhǔn)燭光，標(biāo)準(zhǔn)燭光是天文學(xué)中的“量天尺”,。我們通過確認(rèn)待測天體的原本亮度（絕對星等）和我們看到的觀測亮度（視星等）,，使用平方反比律就可以知道待測天體的距離。

二者之間的差距越大,，意味著這顆恒星的亮度衰減得更多,，即它發(fā)出的光走過了距離越遠(yuǎn)。

哈勃時(shí)期,，我們使用造父變星作為標(biāo)準(zhǔn)燭光,。

那時(shí)，尋找造父變星就是天文學(xué)家的一個(gè)重要工作,。造父變星的變光周期跟亮度有關(guān)系,，可以根據(jù)亮度變化周期來計(jì)算距離。

1929年,，哈勃首先發(fā)現(xiàn)河外星系的視向速度與距離成比例（即距離越大視向速度也越大）,，并給出比值為500，這是最早的哈勃常數(shù),。這樣換算出來的宇宙年齡只有尷尬的20億年，這個(gè)答案顯然不對,。

1931年,，哈勃和哈馬遜第二次將哈勃常數(shù)測定為558，后又訂正為526,。

1952年,，巴德指出仙女星系中造父變星的星等零點(diǎn)判定有誤，調(diào)整為1.5等,，由此哈勃常數(shù)又被修訂為260,。

1958年桑德奇指出：哈勃所說的最亮星實(shí)際上位于電離氫區(qū)，因此要再加上1.8等的星等改正,，從而將哈勃常數(shù)降到了75,。

1974年到1976年，桑德奇和塔曼又用了七種距離指標(biāo),，將哈勃常數(shù)重新修訂到了55,。

自從二十世紀(jì)七十年代以來，許多天文學(xué)家用了很多方法來測定哈勃常數(shù),，但除了觀測的誤差,，以及銀河系內(nèi)距離指標(biāo)的界定不明確等外因,，還有不同星系之間由于化學(xué)成分、年齡,、演化經(jīng)歷的不同等內(nèi)因,，使得各家所得的數(shù)值都不一樣。

而目前主流的的哈勃常數(shù)是由普朗克衛(wèi)星修正的67.8±0.77,。而最新的哈勃常數(shù)是2019年9月由德國科學(xué)家利用引力透鏡效應(yīng)計(jì)算出來的82.4,，從而推算得到宇宙年齡為114億歲，比主流觀點(diǎn)認(rèn)為的138億歲年輕20多億歲,。

最完美的標(biāo)準(zhǔn)燭光是la型超新星

盡管有種種原因,，但早期哈勃常數(shù)誤差主要是由于標(biāo)準(zhǔn)燭光判定不準(zhǔn)確造成的。而隨著科學(xué)的發(fā)展,，如今我們的測量精度有了顯著的提升,。標(biāo)準(zhǔn)燭光也不僅局限于造父變星。

宇宙中有許多雙星系統(tǒng),，雙星指的是兩顆恒星,。當(dāng)其中一顆類似太陽的恒星完成發(fā)光發(fā)熱的使命而變?yōu)橐活w白矮星后，一顆地球大小的白矮星表面引力可達(dá)地球表面引力的18萬倍,。巨大的引力會(huì)將它的另一顆伴星的氣體物質(zhì)吸取過來,，形成一條長長的星際吸管。白矮星就像偷偷吸食著一杯恒星飲料,，慢慢地壯大自身,。

但這種偷食行為也有個(gè)極限，叫錢德拉塞卡極限,，由19歲的印度天體物理學(xué)蘇布拉馬尼揚(yáng)·錢德拉塞卡于1930年計(jì)算出來,，這是一個(gè)有巨大實(shí)際運(yùn)用價(jià)值的重大發(fā)現(xiàn)，但這個(gè)年輕人的成就卻未被當(dāng)時(shí)學(xué)界所認(rèn)可,，甚至受到權(quán)威的抨擊,、打壓和漠視。直到成為一個(gè)73歲的垂暮老人,，錢德拉塞卡才獲得了早該屬于他的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),。

錢德拉塞卡描述了這樣一個(gè)事實(shí)，當(dāng)雙星系統(tǒng)的白矮星通過偷食讓自身壯大到大約1.44個(gè)太陽質(zhì)量時(shí),，就會(huì)被撐死,。白矮星的核心再也抵擋不住自身巨大的重力而坍縮，“砰”地一聲炸掉,。

因?yàn)榘装堑馁|(zhì)量是逐漸逼近錢德拉塞卡極限的,，所以爆炸威力是恒定的，意味著爆炸的亮度也是恒定的,，且爆炸的亮度頂?shù)蒙弦粋€(gè)星系的總亮度,，離得老遠(yuǎn)也能看見,，這被稱為la型超新星爆發(fā)。而大質(zhì)量恒星自然坍縮形成的超新星,，稱為Ⅱ型超新星,。

錢德拉塞卡極限的價(jià)值在于它是一個(gè)理論計(jì)算值，由它導(dǎo)出的la型超新星的亮度基本不會(huì)存在什么誤差,，這簡直就最佳的標(biāo)準(zhǔn)燭光,。通過它可以方便地測量出距離，進(jìn)而幫助我們更精準(zhǔn)地確定哈勃常數(shù),。NASA確定哈勃常數(shù),，靠的就是la型超新星。

關(guān)于宇宙學(xué)中距離的定義

宇宙學(xué)中經(jīng)常使用的有三種距離：光行距離,、固有距離,、共動(dòng)距離。

光行距離就是用光飛行的時(shí)間來衡量距離,，它最大的特點(diǎn)就是不用考慮宇宙膨脹,。光行這段距離所需的時(shí)間，就被稱為“光行時(shí)間”,，或稱為“回溯時(shí)間”,。

事實(shí)上，宇宙的138億年就是一種光行時(shí)間,，或者說回溯時(shí)間是138億年,。但如果考慮宇宙膨脹，要測量遙遠(yuǎn)的星系距離就沒那么簡單了,。因?yàn)樵诠庑袝r(shí)間里,，整個(gè)宇宙是在不停地膨脹，所以要想測定星系的真實(shí)距離,，就需要考慮宇宙在這么長的時(shí)間里到底膨脹了多少？這就是哈勃定律的最大價(jià)值所在,，以此衍生出的哈勃常數(shù),、退行速率、紅移量等等天文學(xué)概念,，都是宇宙學(xué)最熱門的重要命題,。

有了宇宙膨脹的概念后，再來說什么是共動(dòng)距離,？共動(dòng)距離的“共動(dòng)”,，指得就是與宇宙共同膨脹。意味著,，它測出來的仍是膨脹前的數(shù)值,。

這是為了描述動(dòng)態(tài)宇宙最妥當(dāng)?shù)囊环N說法,，它是一個(gè)固定值，不隨時(shí)間變化,，更適合描述這個(gè)加速膨脹的宇宙大小,，代表了可觀測宇宙的尺度，可觀測宇宙半徑為465億光年,，就屬于共動(dòng)距離,。在這以外的宇宙，對物理學(xué)來說無法觀測也無法描述,。我們就好比被困在一個(gè)以地球?yàn)榍蛐模?65億光年為半徑的巨型球體世界里,。甚至有人認(rèn)為可觀宇宙就像一個(gè)反轉(zhuǎn)的黑洞空間。

跟共動(dòng)距離概念正好相反的是“固有距離”,，一種隨宇宙膨脹而變化的距離,。固有距離實(shí)際上在動(dòng)態(tài)宇宙中是無法測量的，但在卻是一種最接近真實(shí)距離的概念,。

在天文學(xué)中代替它的概念稱為紅移量,。由宇宙膨脹導(dǎo)致的紅移稱為宇宙紅移，就是光輻射的波長,，隨著宇宙膨脹會(huì)被拉長,，從光譜藍(lán)色的短波移動(dòng)到紅色的長波，因而形成了紅移現(xiàn)象,。紅移是一個(gè)很直接的量,，因?yàn)橹苯佑^測，就能得出數(shù)值,。

宇宙的膨脹速度,，或說星系退行速度就是根據(jù)光譜紅移現(xiàn)象測量的。一束光的紅移量,，就是遙遠(yuǎn)星光的觀測波長減去真實(shí)波長,，再與真實(shí)波長的比值。

紅移量是我們談?wù)撚钪娉叨?、星體距離時(shí),，唯一能夠明確的測量值，而其它比如光行距離,、共動(dòng)距離,、回溯時(shí)間，反而都是派生出來的物理量,。這些量之間的相互換算涉及到一堆數(shù)學(xué)公式,，就此略過。

總結(jié)

一句話來說,，正是由于宇宙的膨脹才造就了138億年的宇宙年齡,，以及920億光年直徑的可視宇宙,。