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。光年只是一個距離單位，但因?yàn)橛晒馑俸蜁r間來定義，所以經(jīng)常有人把它與時間概念混淆。
“光年，指光跑一年的距離。”這句話沒錯但沒說完，少說了一個前提，那就是在靜止的平直空間前提下。忽略了這個的前提，才會有題主的疑問。
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。
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：
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，宇宙將會在一個有限時間內(nèi)收縮為一個點(diǎn)，所以哈勃定律的提出暗示了宇宙有一個起點(diǎn)，也成了當(dāng)時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常數(shù)，或者說它時常都在變化。
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)。
哈勃時期，我們使用造父變星作為標(biāo)準(zhǔn)燭光。
那時，尋找造父變星就是天文學(xué)家的一個重要工作。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。
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，這是一個有巨大實(shí)際運(yùn)用價值的重大發(fā)現(xiàn)，但這個年輕人的成就卻未被當(dāng)時學(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。
錢德拉塞卡描述了這樣一個事實(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個太陽質(zhì)量時，就會被撐死。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€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值在于它是一個理論計(jì)算值，由它導(dǎo)出的la型超新星的亮度基本不會存在什么誤差，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。
宇宙學(xué)中經(jīng)常使用的有三種距離：光行距離、固有距離、共動距離。
光行距離就是用光飛行的時間來衡量距離，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間，就被稱為“光行時間”，或稱為“回溯時間”。
事實(shí)上，宇宙的138億年就是一種光行時間，或者說回溯時間是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間里，整個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間里到底膨脹了多少？這就是哈勃定律的最大價值所在，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，再來說什么是共動距離？共動距離的“共動”，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。
這是為了描述動態(tài)宇宙最妥當(dāng)?shù)囊环N說法，它是一個固定值，不隨時間變化，更適合描述這個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反轉(zhuǎn)的黑洞空間。
跟共動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，隨著宇宙膨脹會被拉長，從光譜藍(lán)色的短波移動到紅色的長波，因而形成了紅移現(xiàn)象。紅移是一個很直接的量，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，唯一能夠明確的測量值，而其它比如光行距離、共動距離、回溯時間，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。
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。
