Dette spørgsmål refererer implicit til synligt universet, men vi skal udtrykke det eksplicit, da ellers giver spørgsmålet ingen mening.

Det kan virke som om vi ikke burde ikke være i stand til at se mere end 13,7 milliarder lysår (13,7 giga-lysår eller glyrer) væk, men denne begrundelse udelader udvidelsen af ​​rumtiden i henhold til generel relativitet. En foton udsendt fra et sted nær begyndelsen af ​​universet ville have rejst næsten 13,7 glyrer, hvis du havde målt hvert lysår, lige som fotonet krydsede det, men siden de lysår, som du målte, er blevet udvidet siden foton passerede igennem, at afstand tilføjer nu op til ca. 80 glycer.

Radien af ​​det observerbare univers er omkring 46 milliarder lysår, hvilket er betydeligt større end dets alder på omkring 14 milliarder år. Da radiusen af ​​det observerbare univers er defineret af den største afstand, hvorfra lys ville have haft tid til at nå os siden Big Bang, kan du måske tro, at det ville ligge i en afstand på kun 14 milliarder lysår, da $ x = ct $ for bevægelse med en konstant hastighed $ c $. Imidlertid er en relation som $ x = ct $ kun gyldig i speciel relativitet. Når vi nedskriver en sådan relation, forestiller vi os et kartesisk koordinatsystem $ (t, x, y, z) $, som i newtonske mekanik ville være forbundet med en bestemt observatørs referenceramme. I generel relativitet ville modstykket til dette være en Minkowski-koordinatramme, men sådanne rammer findes kun lokalt. Det er ikke muligt at lave en enkelt referenceramme, der omfatter både vores galakse og en kosmologisk fjern galakse. Generel relativitet er i stand til at beskrive kosmologi ved hjælp af kosmologiske modeller, og denne beskrivelse er vellykket til at matche observationer til et højt niveau af præcision. Især observeres der ingen objekter, hvis tilsyneladende aldre er uoverensstemmende med deres afstande fra os.

En måde at beskrive denne forskel mellem special relativitetens $ x = ct $ og det faktiske forhold mellem afstand og tid er at vi tænk på rummet mellem galakserne som ekspanderende. I denne verbale beskrivelse kan vi forestille os, at når en lysstråle bevæger sig fra galakse A til galakse B, skabes der ekstra plads mellem A og B, så afstanden er større end $ ct $, når lyset ankommer .

Intet af dette har noget med inflation at gøre. Inflation giver visse testbare forudsigelser om kosmologiske observationer (det forudsiger fx, at universet er rumligt fladt), men det er irrelevant for at forstå, hvorfor radius af det observerbare univers har den størrelse, det gør i sammenligning med universets alder. Inflationen er måske ikke engang korrekt. Hvis inflation aldrig viser sig at være sket, vil det ikke have nogen indvirkning på dette særlige spørgsmål.

Det viser sig, at vi kan få et overraskende godt skøn over størrelsen af ​​det observerbare univers ved hjælp af en forenklet FRW kosmologisk model bestående kun af støv, dvs. ikke-relativistisk stof. Tilnærmelsen er god, fordi universet har brugt det meste af sin historie domineret af stof, med kun en meget kort periode tidligt, der var strålingsdomineret, og en anden ret ny æra, der er domineret af den kosmologiske konstant. I overensstemmelse med de aktuelle observationsdata foretager vi en anden tilnærmelse, dvs. at universet er rumligt fladt. I en rumligt flad FRW-model er $ r-t $ -delen af ​​metricen af ​​formen $ ds ^ 2 = dt ^ 2-a ^ 2dr ^ 2 $, hvor skalafunktionen $ a $ afhænger af tiden. For en foton, $ ds = 0 $, og vi kan derefter vise, at den rette afstand, der er krydset af en foton siden kort efter Big Bang, er givet med $ L = a \ int dt / a $. For en sagsdomineret løsning er $ a $ proportional med $ t ^ {2/3} $, og vi finder $ L = 3t $. Dette er ret tæt på $ L / t $-forholdet på ca. 3,3 givet af de mest realistiske modeller. Det giver også mening, at resultatet er noget større end 3, fordi universet nu er gået ind i en æra, hvor dets ekspansion accelererer. I fremtiden vil $ L / t $ blive større og større.

Universet defineres almindeligvis som totaliteten af ​​alt, hvad der findes, inklusive al fysisk materie og energi, planeterne, stjernerne, galakserne og indholdet af det intergalaktiske rum.

Ingen ved, om universet er uendeligt stort, eller om vores er det eneste univers, der findes.

Selvom vores syn på universet er begrænset, er vores fantasi ikke. Astronomer har indirekte beviser for, at galaksernes univers strækker sig langt ud over den region, vi kan se . Men ingen ved, om hele universet er uendeligt stort - stort ud over grænsen.

Ifølge de førende teorier kan andre dele af universet se meget anderledes ud end vores egne - og kan endda have forskellige naturlove. Vi kan muligvis aldrig finde ud af det med sikkerhed. Men det er muligt, at ledetråde til svaret ligger i almindelig visning og bare venter på at blive opdaget!

Jeg skal også bemærke de "80 milliarder lysår på tværs", det tæller ikke som en modsigelse. Jeg ved ikke, hvad din reference er, men jeg tror, ​​at dette vedrører den region, som vi endnu kan se i dette univers.

Du kan rejse så tæt på lysets hastighed, som du vil, men (forudsat at du er lavet af stof) kan du ikke rejse ved lysets hastighed eller hurtigere.

Så der er ingen grund til, at galakser ikke kan trække sig tilbage fra hinanden med 99,9999% lysets hastighed. Dette er dog ikke hele historien, da udvidelsen af ​​rumtiden kan gøre sjove ting. Universet udvider sig faktisk ikke, som man kunne forvente af hverdagen, som en eksplosion ville, og der var ikke et "enkelt punkt", som man kan pege på og sige "det var her big bang skete", det skete hvor du sidder og på den mørke side af månen og lige rundt om hjørnet fra Alpha Centauri ... overalt faktisk.

Se en graf - punktet på grafen bevæger sig ikke fra hinanden (dvs. punkt A går fra (1,1) til (2,2) og punkt B går fra (5,5 til 7,7)) - i stedet strækkes hele grafen, stykke papir og alt.

Denne strækning får lov til at ske hurtigere end lysets hastighed, da uanset hvad der faktisk skal ændres koordinerer for at det skal ske.

I forhold til titlen på dit spørgsmål er det bedste svar at spørge "sammenlignet med hvad?".

Kort ...

Overvej en foton udsendt for 13,8 Gly siden (Gly = milliard lysår). Når den bevæger sig gennem rummet, kommer den ikke kun længere væk fra kilden på grund af at rejse med lysets hastighed $ c $, men fotonernes afstand øges også, når universet vokser.

Teknisk ...

For at blive teknisk fanges universets ekspansion af skaleringsfaktoren $ a (t) $, som styres af Friedmanns ligning:

$$ \ frac {(a '(t) / a (t)) ^ 2} {H_ 0 ^ 2} = \ frac {\ Omega _ {\ text {R0}}} {a (t) ^ 4} + \ frac {\ Omega _ {\ text {M0}}} {a (t) ^ 3} + \ frac {\ Omega _ {\ text {$ \ kappa $ 0}}} {a (t) ^ 2 } + \ Omega _ {\ text {$ \ Lambda $ 0}} $$

hvor Hubble-konstanten $ H_0 = 67.8 \ frac {\ text {km} / \ text {s}} {\ text {Mpc}} = 0,0693 / \ text {Gyr} $, nutidsværdien af ​​strålingstætheden $ \ Omega _ {\ text {R0}} = 0,0000905 $, den aktuelle værdi af stofdensiteten $ \ Omega _ {\ text {M0}} = 0,308 $ (som hovedsagelig består af mørkt stof), nutidsværdien af ​​krumningstætheden $ \ Omega _ {\ text {$ \ kappa $ 0}} = 1 - (\ Omega _ {\ text {R0}} + \ Omega _ {\ text {M0}} + \ Omega _ {\ text {$ \ Lambda $ 0}}) = 1 $, og nutidsværdien af ​​den kosmologiske konstant $ \ Omega _ {\ text {$ \ Lambda $ 0}} = 0,692 $. Disse værdier er fra Plank Collaboration 2015. Denne ligning kan kun løses numerisk. Følgende figur viser skaleringsfaktor som en funktion af tiden:

I kosmologi er den mængde afstand, en foton kan bevæge sig i en given tid, kendt som den comoving distance eller den comoving horizon angivet med $ \ eta $:

$$ \ eta = \ int_ {0} ^ {t} \ frac {c dt} {a (t)} $$

som igen skal evalueres numerisk. Ved numerisk integration fra 13.799 Gyr siden indtil nutiden opnås en partikelhorisont af 43.5 Glyr, som er radioerne i det observerbare univers. Man skal tage denne værdi med et saltkorn, da den er meget følsom overfor $ H_0 $.

Biologisk ...

Jeg vil gerne fokusere på "Hvorfor det observerbare univers er så stort?"fra et andet perspektiv.Alternativt kan vi spørge, hvorfor det observerbare univers er 13,8 Gyr gammelt!Dette er ikke et så underligt spørgsmål at stille, hvis vi angiver det som følgende: "Hvorfor ser vi som observatører tilfældigvis på universet 13.8 Gyr efter big bang?"I betragtning af at intelligent liv på jorden tog ~ 3,5 Gyr til at stige, og universets forhold var for barske til at tillade udvikling af liv i de første ~ 10 Gyrs, kunne man forvente, at de fleste lommer med intelligente observatører ville danne og studere universet ~ 15Gyr efter big bang.Det er dog meget overraskende at befinde os ved begyndelsen af dannelse af liv, da livet ville blomstre i mange kommende år.

Ja det lyder som om det kan være en modsigelse, men det er det faktisk ikke. Det er fordi universet har ekspanderet hurtigt i alle retninger siden big bang, og vores observationer er begrænset af lysets hastighed.

For eksempel hvis vi observerer en fjern kvasar, der ser ud til at være 10 milliarder lysår væk , lyset fra kvasaren er 10 milliarder år gammelt (det er derfor, kvasarer er kendt for at være nogle af de ældste fænomener i universet). I den tid det tog for lyset at nå os, har universet ekspanderet. Faktisk har ekspansionen accelereret alt det, mens afstanden mellem os og den kvasar er på nuværende tidspunkt betydeligt større end 10 milliarder lysår.

Hvis vi havde et middel til at observere fjerne objekter, som de ser ud. lige i dette tilfælde ville vi ikke kun have en type tidsmaskine, men vi kunne også se, at universet var 80 milliarder lysår på tværs, selvom jeg ikke kan garantere for nøjagtigheden af ​​det 80 milliarder lysårstal, der er givet på wikipedia-siden. / p>

Astronomer og fysikere kæmper også med spørgsmålet om "hvad er det, som universet udvider sig til". Udvider det sig til et tomt rum, og hvis ja, er der noget der ligger uden for vores univers på en stor afstand? I så fald kan universet være uendeligt.

Eller foldes universet tilbage på sig selv på en højere dimensionel slette, dvs. hvis vi havde et hypotetisk middel til at rejse hurtigere end hastigheden for ekspansion af universet og rejste i en lige linje, ville vi til sidst havne tilbage på samme sted? I dette scenarie ville universet have en teoretisk grænse til enhver tid.

Dette er ikke en sammentrækning. Special Relativity siger ikke, at intet kan rejse hurtigere end lysets hastighed. Det siger snarere, at ingen regelmæssig sag kan rejse hurtigere end lysets hastighed. Derfor, i stedet for at tænke galakser bevæger sig væk fra hinanden, skal du tro, at rummet mellem dem øges. Det ville betyde, at selve rummet kan slå lysets hastighed.

Spørgsmålet stilles om modsatte kanter af det observerbare univers, men det er et specielt tilfælde af et mere generelt spørgsmål:

Hvordan kan to objekter, der bevæger sig væk fra et fælles punkt i en tid $ Δt $ ende med mere end $ 2cΔt $ fra hinanden?

Du behøver ikke forstå generel relativitet for at forstå svaret på dette spørgsmål, da det kan ske selv i særlig relativitet. For resten af ​​mit svar antager jeg en grundlæggende fortrolighed med særlig relativitet.

Alice og Bob nulstiller deres stopur på et fælles sted og tidspunkt, og bevæger sig derefter væk fra hinanden i 1 sekund målt ved stopurene (eller som målt ved at sige "en kartoffel"). Hvor langt fra hinanden er de i slutningen? Det vil sige, hvad er rumtidsintervallet mellem de to begivenheder i stopurene, der læser 1 sekund?

Det er let at vise *, at hvis de begge bevæger sig inerte, er intervallet i slutningen $ \ sqrt {2 (γ {-} 1)} $ lyssekunder, hvor $ γ $ er gammafaktoren for deres relative hastighed. Da $ γ $ kan være vilkårligt stor, så også afstanden. Den overstiger 2 lyssekunder, når $ γ>3 $ ( $ v \ gtrsim 0.94c) $ , og den overstiger enhver endelig værdi for en stor nok (underlys) relativ hastighed.

I Minkowski-rumtiden holder uligheden i trekanten kun, når alle tre sider af trekanten er rumlige. I andre tilfælde er længden af ​​den tredje side slet ikke begrænset af længderne af de to andre. Vores tankeeksperiment er tilfældet, hvor to af siderne er tidlige og den tredje er rumlige. Sagen, hvor alle tre sider er tidlige, er tvillingeparadoxet: hjemme-tvillingen kan være vilkårlig gammel, når den rejsende tvilling vender tilbage fra deres to sekunders tur.

Vi kan få dette til at se lidt mere ud som en kosmologi ved at introducere Carol, Ted osv., som også bevæger sig inertisk væk fra det samme punkt (som vi kalder big bang) i 1 ordentligt sekund. De bevæger sig med forskellige hastigheder, men vi kræver, at de relative hastigheder for nærmeste naboer svarer til hinanden (dette er homogenitetsantagelsen i kosmologi). I stedet for at måle det lineære rumtidstid mellem de fjerneste bevægere måler vi også intervallerne mellem nærmeste naboer og tilføjer dem.

Hvis du tegner verdens bevægelseslinjer for alle bevægere, ligger de punkter, hvor deres stopur læses 1 sekund, på en hyperbol med ligningen $ t ^ 2-x ^ 2 = 1 \ , \ text {s} ^ 2 $ i inertialkoordinater. ** De afstande, vi måler, er polygonale tilnærmelser til afstande langs denne hyperbola. Du tror måske, at disse afstande ville være længere end de lige afstande; faktisk er de kortere, for som normalt er alt bagud i rumtiden. Men de er ikke kortere nok til at ændre den grundlæggende konklusion om, at vilkårligt lange afstande er mulige. Du kan altid foretage en større afstand ved at øge den relative hastighed for tilstødende bevægere eller ved at tilføje flere af dem i yderpunkterne.

Denne legetøjsmodel er mere end bare en analogi. Hvis du starter med ΛCDM-modellen, der beskriver den virkelige verden (post-inflation) og løbende tager alle densiteterne til nul på en passende måde, ændrer den sig kontinuerligt ind i denne legetøjsmodel. I hver mellemliggende model er tilstrækkeligt fjerne objekter længere fra hinanden end $ 2c $ gange den kosmologiske tid siden big bang, og der er ingen mening i processen med at tage grænsen kl. som årsagen til det ændres. Den virkelige verdens rumtid er buet, men ikke-nul krumning er ikke grunden til, at denne kontraintuitive adfærd er mulig. Den virkelige årsag er den blandede metriske signatur for rumtid.

Bortset fra manglen på uligheden i trekanten, er en anden grund til, at folk finder det så forvirrende, sandsynligvis den store vægt på kartesiske (inertiale) koordinatsystemer, når de underviser i særlig relativitet. Einstein havde en god grund i 1905 til at konstruere denne type koordinatsystem: han forsøgte at skabe forbindelse til det traditionelle newtonske billede af rum og tid til gavn for sit publikum, der stadig troede på det billede. I dag, 115 år senere, tror ingen på det billede, men vi lærer det stadig. Der er så meget boring af kartesiske koordinater og relaterede formler (tidsudvidelse, længdekontraktion osv.), At folk får ideen om, at det er sådan, universet virkelig fungerer. I virkeligheden er universet ligeglad med vores koordinatsystemer. Den tætteste ting i den virkelige verden til et universelt netværk af synkroniserede ure er de ekspanderende galakser, og de følger ikke et kartesisk gitter, men en slags polar gitter (omend på et buet manifold). Hvis du definerer "afstand" og "tid" med henvisning til et kartesisk gitter, kan du ikke få mere end $ Δx = 2cΔt $ væk; men hvis du definerer dem med henvisning til det polære gitter, der faktisk (efter en mode) eksisterer, kan du - selv i den grænse, hvor rumtiden er flad.

* Vælg enheder, hvor 1 sekund = 1 lys sekund = 1, og inerte koordinater, hvor startpunktet er $ x = t = 0 $ , Alice gør det ikke bevæge sig, og Bob bevæger sig på x-aksen. Så er Alice endelige position $ (x, t) = (0,1) $ og Bob er $ (x, t ) = (γβ, γ) $ , og afstanden mellem dem er $ \ sqrt {(γβ-0) ^ 2- (γ-1) ^ 2} $ = $ \ sqrt {2γ-2} $ .

** Hvis du tilføjer flere rumlige dimensioner, er det en hyperboloid, som i Minkowski-rummet er en overflade med konstant negativ krumning.Denne model er en nul-tæthedsgrænse for FLRW-kosmologien, og det er derfor, at rummet er negativt buet i denne grænse, og ikke fladt, som man kunne forvente: FLRW-koordinaterne er analoge med polære koordinater, og "rum" er en sfære med konstantradius (kosmologisk tid).I et euklidisk rum ville det have konstant positiv krumning;i Minkowski rumtid er alt bagud.