为什么宇宙年龄138亿年，大小竟有930亿光年？

宇宙到底有多大？多少岁？

这是仰望星空的人常爱问的两大问题。

但刚开始接触宇宙学的人，很可能遭遇一种困惑：一方面得知宇宙年龄有138亿年，另一方面却被告知宇宙最大直径高达930亿光年，这不是自相矛盾吗？

因为按照这些人的理解，从宇宙大爆炸一直到现在138亿年，科学家们一定是找到了确切证据——大爆炸产生的光子，经过漫长的138亿年飞行，终于被我们发现了。（这就像考古学家发现了霸王龙化石，进而确定它们曾生活在6700万～6500万年前一样。）

但，与此同时，科学家又在斩钉截铁地告诉我们：宇宙最大直径竟有930亿光年，也就是说，以地球为中心的可观测宇宙半径有465亿光年。

这么看来，宇宙创世之初——大爆炸最早诞生的光子，飞到现在不是才138亿年吗？为什么科学家竟然会发现465亿光年之外的星体呢？就是说为什么能够发现飞行了465亿年的星光呢？

这不是再明显不过的自相矛盾嘛？！到底科学家集体发昏？还是另有真相？

这的确是个有趣又有料的好问题。科学家告诉我们这两个数据其实没毛病，有毛病的是我们理解有误，以及读书太少。

没耐心刷屏的，一句话告诉你答案，这是宇宙膨胀搞的鬼。

没看懂？那就看一个简单的比喻吧——

想象有一只蚂蚁，爬在一个不断膨胀的气球表面，相对于气球表面的爬行速度是匀速的1cm/s。10秒后，蚂蚁认为自己已经爬了10cm，但旁边的你，作为观测者用尺子测量发现，它爬过的这段距离已经超过了10cm，因为气球在膨胀！同样道理，代表宇宙年龄的光子，尽管飞行时间是138亿年，却能够跨过465亿光年。都是因为宇宙膨胀造成的！懂了吧。

但问题来了，这不是大大超过了光速吗？传说中的超光速真实存在吗？宇宙年龄和大小到底是怎样测量出来的？宇宙膨胀又是怎么测量的？

有耐心想知道「知其所以然」的，请看——

先来说说宇宙年龄。

事实上，测定宇宙年龄，并不是像有人想当然的那样，跟发现霸王龙化石一样，科学家找到了宇宙大爆炸的最初影像资料。

按照大爆炸理论，这是不可能的。因为从宇宙大爆炸开始，大概30万年后，宇宙最早一批原子才开始诞生；大概35万年（也有称38万年的），光子才开始在宇宙中向四面八方传播，此时整个宇宙直径只有1亿光年。

这些最初的光子，一路飞越到现在，就是我们今天探测到的宇宙微波背景辐射，简称CMBR。可以说是宇宙大爆炸的余波，也可以说是「宇宙的第一束光」或者「婴儿宇宙快照」。

这样的话，只要测得CMBR越精确，确定的宇宙年龄也就越接近。

从最早美国两位工程师通过射电望远镜——意外发现，到1992年NASA发射宇宙背景探测者（COBE）——主动探测，再到2003年NASA发射第二代宇宙微波背景探测器（WMAP）和2009年欧空局ESA发射普朗克卫星——深度探测，再加上哈勃太空望远镜和一大波地面天文台的数据共享／互补对照……经过半个世纪的不断努力，最新测定的宇宙年龄——137.98±0.37亿年，一般简化成138亿年。

再说说宇宙大小。

通常说的930亿光年，是指可观测宇宙的直径。

什么又是可观测宇宙？简单来说，就是以观测者为中心所能观测到的宇宙范围。言外之意，可观测宇宙只是整个大宇宙的一部分。从宇宙大尺度来说，不同观测者的可观测宇宙范围也不同。

以我们为例，人类目前的可观测宇宙其实是个球体——一个以465亿光年为半径的巨巨巨型球体。

球体外面是什么？可观测宇宙之外是什么？其实还是大宇宙的一部分，只不过是我们还没能力观测到。

目前已知的这个半径又是怎么来的？

其实，并不是我们观测到了距离地球465亿光年之外的星体。

▲目前为止人类观测最远的星系——GN-z11，根据哈勃望远镜的测定，它的年龄高达134亿年，距离我们大约320亿光年。此处——又一个年龄与距离高度不符，到底咋回事？等下你就懂了。

测量可观测宇宙半径465亿光年，其实，我们还是根据测定CMBR——宇宙微波背景辐射——粒子的红移量，得到了共动距离，大约是465亿光年，这就是可观测宇宙半径。

等等，红移量、共动距离又是什么？

先说距离，宇宙学中经常使用的有三种距离：光行距离、固有距离、共动距离。

光行距离最为我们大众所理解，就是用光飞行的时间来衡量距离。光行距离有一个前提就是不考虑宇宙膨胀。为了使用方便，光行距离派生出「光行时间」——光行这段距离所需的时间，有时也被称为「回溯时间」。事实上，宇宙年龄138亿年，也可以说是光行时，或者说回溯时间是138亿年。

再比如，我们说牛郎织女星相距16光年，也就是指它们之间的距离需要光飞行16年，光行距离16光年，光行时／回溯时间16年。

但如果考虑宇宙膨胀，前面说过的观测到最远星系——距离我们320亿光年，事实上就没那么简单了。因为在光行320亿年的这段时间里，整个宇宙是在不停地膨胀。所以，要想测定星体的真实距离，还需要考虑宇宙在这么长的时间里到底膨胀了多少？

再简单说下，宇宙膨胀——这是从大爆炸开始就从未消停地「宇宙大动作」。最早被大名鼎鼎的哈勃发现，建立了宇宙膨胀理论，形成了哈勃定律、哈勃常数、退行速率、红移量等等。如今已成为宇宙学最热门的研究领域之一，因为它决定了很多重要命题。在这里，你只要能理解这个比喻就好——

宇宙膨胀的道理，就像葡萄干面包一样，放进烤箱里烘烤时，面包会从小变大的膨胀，不管是面包表面还是里面的葡萄干，在这个膨胀过程里，都会相互远离。

现在，科学家对宇宙的观测结果正好与此吻合，所有星系都在远离我们！葡萄干都在相互远离！科学家把这种远离我们的宇宙膨胀速度，也叫退行速度，相对我们来说这些星系都在退行。

又因为这个速度是根据光谱红移现象测量的，所以引入一个「红移」概念。这个我们后面再说。

我们有了宇宙膨胀的概念后，你就能理解「共动距离」了。共动距离的「共动」，到底是谁跟谁共动？

其实是测量宇宙距离的量天尺，跟宇宙膨胀一起共动——共同膨胀。这种想象出来的量天尺，测量出的距离就是共动距离，也有叫同移距离的。这就意味着，测出来的仍是膨胀前的数值，所以，共动距离是一个固定值。

可观测宇宙半径为465亿光年，就属于共动距离。为什么此处要采用共动距离呢？

其实，这正是科学的严谨说法。你想想，宇宙时时刻刻都在加速膨胀，而且膨胀速度很惊人，越来越多的星系在远离我们，最终变成不可观测。所以，对于这种动态的宇宙来说，最妥当的说法就是采用共动距离——这个固定值，描述可观测宇宙的尺度，和宇宙一起膨胀，不随时间变化，更适合描述这个加速膨胀的宇宙大小——半径465亿光年的巨型球体。

跟共动距离概念——正好相反的是「固有距离」，一种随宇宙膨胀而变化的距离，相当于使用一把固定不变的量天尺，去测量膨胀中的宇宙距离。也就是说，这是一个随时间变化而变化的数值，当然这是一个理想值。

尽管固有距离实际上无法测量，但在科学家眼里却是一种最接近真实距离的概念。于是，科学家找到一种替代方案，这就是红移量。