宇宙诞生至今138亿年。按常理,光跑了138亿年,人类能看到的最远处也该是138亿光年。可天文学家算出来的可观测宇宙边界,在每个方向上都远达461亿光年。
还有更奇怪的。这片看得见的宇宙里,约95%的地方,人类就算今天以光速出发也永远到不了。反过来,有些今天还看不见的地方,光已经在路上,总有一天会出现在望远镜里。
在我们这个宇宙里,看得见、够得着、能对话,是3件不同的事。
这一切都要从宇宙膨胀说起。
宇宙膨胀常被比作吹气球,气球皮越吹越薄。这个比方在一处会误导人:空间膨胀之后并不会变“薄”,它只是变多了。变稀的是空间里的物质和能量,粒子数没变,地方大了,密度自然就降了。
膨胀有多快,取决于宇宙的总能量密度。密度越高,膨胀越快。
宇宙的能量主要有3种来源:辐射、物质,以及空间本身自带的一种能量,叫暗能量。前两种会随膨胀被稀释,暗能量不会。不管空间扩大多少,每一立方米里的暗能量始终一样多。
所以宇宙的膨胀一直在放慢,但永远慢不到零。大爆炸后几千年,辐射的能量密度跌到物质之下;大约60亿年前,物质也稀到了暗能量之下。从那以后,暗能量就成了决定宇宙膨胀的主角。
大爆炸也常被画成从某一点炸开,其实它没有中心。那一刻,宇宙处处又热又密,每个地方都在朝四面八方放光。站在任意一点往外看,能看到的范围,就是这些最早的光从多远处出发、恰好此刻赶到。
这个范围一直在长。大爆炸后1皮秒,也就是1万亿分之一秒,它的半径相当于地球到太阳的距离。1毫秒时,约1光年。1秒时,20到40光年,相当于一个大型球状星团。1年时,略小于银河系的半径。1万年时,约1000万光年。
到了今天,是461亿光年。
它比138亿光年大出这么多,是因为光在路上跑的同时,空间一直在被拉长。一束光出发时,它的出发点离我们还近;在它赶路的漫长岁月里,膨胀把那个出发点越推越远。138亿年前发出、今天才到的光,出发地如今已在461亿光年外。
看得见的远方去不了,原因在于膨胀的效果按距离累加。
今天宇宙的膨胀速率,约是每百万秒差距67千米每秒。百万秒差距是天文学的距离单位,约326万光年。意思是,两个天体之间每多隔326万光年,互相远离的速度就多出67千米每秒。离得越远,退得越快。
光速约30万千米每秒。简单一算,距离超过约146亿光年,那里远离我们的速度就超过了光速。
这并不违反相对论。相对论管的是东西在空间里跑多快,管不着空间自己怎么伸展。往那么远的地方发一束光,就像在一条不断加长的跑道上追人,越追越远。
好在膨胀速率还在缓慢下降,最终会稳定在每百万秒差距55到60千米每秒之间。跑道加长得慢了,光能追上的范围就比146亿光年稍远一些,落在150亿到180亿光年之间。具体数值还取决于几个尚未测准的宇宙学参数。
这条线叫可抵达极限。线以内的地方,人类有两种办法够着。
一种是今天就发出一束无线电信号,向那里可能存在的智慧生命宣告“我们在这儿”。
另一种是造一艘飞船,今天出发,以1倍地球重力加速度一直加速,也就是每秒速度增加约9.8米。几年之后,它就能逼近光速。速度越接近光速,飞船上的时间走得越慢,船员只需不到一辈子的时间,理论上就能跨越极其遥远的距离。可哪怕这样,它能抵达的也只有150亿到180亿光年以内的地方。
如果还想听到回音,范围就得再缩小到约100亿光年。只有这么近,我们的信号到达时,对方仍在可抵达极限以内,回信才追得回来。
100亿到180亿光年之间的文明,能收到我们的信,回信却永远寄不到。对这样的目标,发信不如发船:信送到了也等不到回音,人过去了至少还能见个面。
超过180亿光年,就只能看,不能碰了。我们看到的是它们几十亿年前的模样,它们如果也有望远镜,看到的同样是我们的过去,也许是一个还在婴儿期的银河系。双方隔着时间互相张望,却谁也送不出一句话。
这片只能看的区域,一直延伸到461亿光年。
461亿光年外,也不是全然无望。那里有些天体在很久以前、甚至在大爆炸刚开始时就发出了光,这些光已经走进了我们周围150亿到180亿光年的范围。既然这个范围内今天发出的信号能到达我们,这些早已赶到附近的光,将来也一定能到。
保守地按150亿光年算,加上461亿光年,611亿光年以内的天体,未来某天都会出现在我们眼前,最远可能到640亿光年。这条线叫未来可见极限。那里的观测者,将来也能看到银河系所在位置的远古模样。双方永远无法联络,但终有一天能互相看见。
再往外,就是永远不可观测的宇宙。无论等多久,那里的光都到不了这里,它到底有多大,谁也不知道。
空间是立体的,体积随半径的立方增长,差一点距离,体积就差出一大截。
以今天可观测宇宙的体积为基准:能双向通信的部分,只占约1%;连同只能单向联络的部分,人类够得着的总共也只有3%到6%。剩下94%以上,只能看。
未来能看到的总范围,是今天可观测宇宙的2.3到2.7倍。而永远看不到的部分,可能还要再大几百万倍,没有上限。
这些划分都建立在一个假设上:暗能量是常数,不随时间和地点改变。迄今所有观测都与这个假设吻合,但它还没有被证明。如果暗能量其实在变,这几条边界可能会大幅挪动。
按眼下的认识,人类能看到461亿光年外,真正够得着的,只是家门口的一小片。
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图一:拉尼亚凯亚超星系团,银河系(红点)就在其中,它目前包含约10万到15万个已知星系。我们位于室女星系团(银河系附近的大片白色区域)的外围。图中看似一个整体,其实暗能量会把这些团块逐渐拉散,分裂成各自的星系群、星系团和孤立星系。拉尼亚凯亚今天横跨5.2亿光年,未来会随宇宙演化被拉伸到几十亿光年,图源:R.B. Tully et al., Nature, 2014
图二:示意图,膨胀宇宙中的星系彼此远离,这是大爆炸与后来暗能量登场共同造成的。膨胀从大爆炸起一直在进行,但今天看到膨胀,并不意味着能把一切倒推回过去某个时空奇点,图源:Mark Garlick/Science Photo Library
图三:辐射、物质与暗能量的密度随宇宙演化的变化,图源:E. Siegel/Beyond The Galaxy
图四:弗里德曼方程,描述宇宙膨胀速率与能量密度的关系,图源:E. Siegel
图五:宇宙尺度随大爆炸后时间的变化,图源:E. Siegel
图六:与宇宙膨胀速率相关的多组数值示意图,图源:Renerpho/Wikimedia Commons
图七:乘坐一艘全程以1倍地球重力加速度加速的飞船,几年后就能接近光速。越接近光速,飞船上的时间走得越慢。理论上,船员在远短于一生的时间里就能跨越极远距离,但按今天的距离算,单程最远只能抵达150亿到180亿光年,图源:P. Fraundorf/Wikimedia Commons
图八:简化动画,展示膨胀宇宙中光如何红移,以及互不束缚的天体间距离如何变化。两个星系起初离得较近,光在途中因空间膨胀被拉长波长,最终两个星系的间距远大于这束光走过的路程。此刻抵达我们的,是来自461亿光年外的光,图源:Rob Knop
图九:可观测宇宙的对数尺度艺术构想图。从太阳系到银河系,再到邻近星系和宇宙大尺度结构,最外圈是大爆炸时又热又密的等离子体。今天可观测宇宙的边界在各个方向上都延伸到461亿光年。今天比这更远150亿到180亿光年以内的天体,未来终将能被看到,这就是宇宙的未来可见极限,图源:Pablo Carlos Budassi; Unmismoobjetivo/Wikimedia Commons
图十:在暗能量主导的宇宙里,空间分成5个区域:洋红线以外永远看不到;洋红线与红线之间今天看不到、未来能看到;红线与绿线之间看得见,但到不了、也无法通信;绿线以内能抵达、能单向通信;从中心到绿线约2/3处(图中未标出)以内能双向通信。图中3条线分别对应180亿、460亿和610亿光年,图源:Andrew Z. Colvin/Wikimedia Commons; annotations: E. Siegel
信源:Siegel, Ethan. "These 5 Divisions Define How Far We Can Go in Space." Big Think, 28 Oct. 2026
