宇宙探索 4天前

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有這樣的問(wèn)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，但因為由光速和時(shí)間來(lái)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(huà)沒(méi)錯但沒(méi)說(shuō)完，少說(shuō)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(wèn)。

在膨脹的宇宙中，光跑一年的距離遠不只一光年。所以在138億年的時(shí)間中，光可以達到460億光年（可視宇宙半徑）之遠，并不是什么悖論問(wèn)題。如果說(shuō)，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(jué)不到悖論的意味了。

我們如何判定宇宙年齡？

現在我們對宇宙有138億年的認知，來(lái)源于2015年歐空局普朗克衛星收集到的宇宙信息，然后使用Λ-冷暗物質(zhì)（ΛCDM）宇宙模型，而計算出來(lái)的結果。相應的計算公式如下：

這個(gè)公式對于普通人來(lái)說(shuō)太復雜，而我們一般可以用哈勃常數來(lái)求宇宙年齡的近似解。

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

公式為：Hc = Vf/D
參數說(shuō)明：Vf：Velocity ( Far Away ) 遠離速率 單位：km / sHc：Hubble's Constant 哈勃常數 單位：km / (s·Mpc)D：Distance 相對地球的距離 單位：Mpc 百萬(wàn)秒差距

哈勃定律中說(shuō)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)，也成了當時(shí)宇宙大爆炸理論的有力佐證。

根據哈勃常數的定義來(lái)看，哈勃常數Hc倒數就對應著(zhù)宇宙年齡，其單位為萬(wàn)億年。

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

哈勃常數的變遷史？

在宇宙中測量遙遠天體的距離，大致靠的都是光度法來(lái)測量。光度學(xué)是研究光強弱的學(xué)科。在天文學(xué)中，光度是物體每單位時(shí)間內輻射出的總能量，即輻射通量。通過(guò)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(lái)做標準燭光，標準燭光是天文學(xué)中的“量天尺”。我們通過(guò)確認待測天體的原本亮度（絕對星等）和我們看到的觀(guān)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(zhù)這顆恒星的亮度衰減得更多，即它發(fā)出的光走過(guò)了距離越遠。

哈勃時(shí)期，我們使用造父變星作為標準燭光。

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，可以根據亮度變化周期來(lái)計算距離。

1929年，哈勃首先發(fā)現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。這樣換算出來(lái)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，調整為1.5等，由此哈勃常數又被修訂為260。

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

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

自從二十世紀七十年代以來(lái)，許多天文學(xué)家用了很多方法來(lái)測定哈勃常數，但除了觀(guān)測的誤差，以及銀河系內距離指標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)歷的不同等內因，使得各家所得的數值都不一樣。

而目前主流的的哈勃常數是由普朗克衛星修正的67.8±0.77。而最新的哈勃常數是2019年9月由德國科學(xué)家利用引力透鏡效應計算出來(lái)的82.4，從而推算得到宇宙年齡為114億歲，比主流觀(guān)點(diǎn)認為的138億歲年輕20多億歲。

最完美的標準燭光是la型超新星

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

宇宙中有許多雙星系統，雙星指的是兩顆恒星。當其中一顆類(lèi)似太陽(yáng)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地球表面引力的18萬(wàn)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(guò)來(lái)，形成一條長(cháng)長(cháng)的星際吸管。白矮星就像偷偷吸食著(zhù)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(qián)德拉塞卡極限，由19歲的印度天體物理學(xué)蘇布拉馬尼揚·錢(qián)德拉塞卡于1930年計算出來(lái)，這是一個(gè)有巨大實(shí)際運用價(jià)值的重大發(fā)現，但這個(gè)年輕人的成就卻未被當時(shí)學(xué)界所認可，甚至受到權威的抨擊、打壓和漠視。直到成為一個(gè)73歲的垂暮老人，錢(qián)德拉塞卡才獲得了早該屬于他的諾貝爾物理學(xué)獎。

錢(qián)德拉塞卡描述了這樣一個(gè)事實(shí)，當雙星系統的白矮星通過(guò)偷食讓自身壯大到大約1.44個(gè)太陽(yáng)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。

因為白矮星的質(zhì)量是逐漸逼近錢(qián)德拉塞卡極限的，所以爆炸威力是恒定的，意味著(zhù)爆炸的亮度也是恒定的，且爆炸的亮度頂得上一個(gè)星系的總亮度，離得老遠也能看見(jiàn)，這被稱(chēng)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(chēng)為Ⅱ型超新星。

錢(qián)德拉塞卡極限的價(jià)值在于它是一個(gè)理論計算值，由它導出的la型超新星的亮度基本不會(huì )存在什么誤差，這簡(jiǎn)直就最佳的標準燭光。通過(guò)它可以方便地測量出距離，進(jìn)而幫助我們更精準地確定哈勃常數。NASA確定哈勃常數，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(lái)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(chēng)為“光行時(shí)間”，或稱(chēng)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(shuō)回溯時(shí)間是138億年。但如果考慮宇宙膨脹，要測量遙遠的星系距離就沒(méi)那么簡(jiǎn)單了。因為在光行時(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(cháng)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、退行速率、紅移量等等天文學(xué)概念，都是宇宙學(xué)最熱門(mén)的重要命題。

有了宇宙膨脹的概念后，再來(lái)說(shuō)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(zhù)，它測出來(lái)的仍是膨脹前的數值。

這是為了描述動(dòng)態(tài)宇宙最妥當的一種說(shuō)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(guān)測宇宙的尺度，可觀(guān)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(lái)說(shuō)無(wú)法觀(guān)測也無(wú)法描述。我們就好比被困在一個(gè)以地球為球心，465億光年為半徑的巨型球體世界里。甚至有人認為可觀(guān)宇宙就像一個(gè)反轉的黑洞空間。

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(wú)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(chēng)為紅移量。由宇宙膨脹導致的紅移稱(chēng)為宇宙紅移，就是光輻射的波長(cháng)，隨著(zhù)宇宙膨脹會(huì )被拉長(cháng)，從光譜藍色的短波移動(dòng)到紅色的長(cháng)波，因而形成了紅移現象。紅移是一個(gè)很直接的量，因為直接觀(guān)測，就能得出數值。

宇宙的膨脹速度，或說(shuō)星系退行速度就是根據光譜紅移現象測量的。一束光的紅移量，就是遙遠星光的觀(guān)測波長(cháng)減去真實(shí)波長(cháng)，再與真實(shí)波長(cháng)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(lái)的物理量。這些量之間的相互換算涉及到一堆數學(xué)公式，就此略過(guò)。

總結

一句話(huà)來(lái)說(shuō)，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。