大爆炸和相對論矛盾了？

我們知道，20世紀出現了物理學的兩大新支柱，分別是量子力學和相對論。在相對論的基礎假設中，有一條是光速不變原理。如果我們通過推導，就會發現光速是我們這個宇宙中物質、信息、能量傳播得最快速度。

可是，我們也應該有聽說過，宇宙誕生於138億年前的一次大爆炸，按照這個說法，我們能觀測到的宇宙範圍應該是以138億光年爲半徑的球狀空間。可事實呢？

可觀測宇宙的大小是以465億光年爲半徑的球狀空間，這足足多出了300多光年，那是不是和相對論矛盾了？那到底是相對論錯了，還是宇宙大爆炸理論錯了？

膨脹效應

事實上，大爆炸理論沒有問題，相對論也沒有問題，兩者也不矛盾。這究竟是咋回事呢？這事要從宇宙大爆炸說起。按照目前的理論和觀測結果來看，宇宙確實是起源於138億年前的一次大爆炸。

大爆炸之後，宇宙發生了劇烈的膨脹。隨着空間的膨脹，溫度也在逐漸下降。這裏我們就要注意了，宇宙空間其實是在膨脹的，而且光速又是一定的。那這會得到一個什麼結果呢？

光速乘以時間就是光跑過的距離，如果從宇宙大爆炸開始，光就從A點出發，前往B點，那照理說，它應該會跑過138億光年的距離。可是由於空間在膨脹，所以，光其實不只是跑了這段距離。我們需要把宇宙膨脹效應考慮進去。

不過，這裏還會有一個問題。宇宙並不是一開始就是透明的。具體來說是這樣的，由於早期的宇宙溫度很高，整個宇宙呈現的是等離子態，光子其實就被束縛在其中，而沒有辦法在宇宙中正常的傳播。這樣類似的情況現在也在太陽當中發生的。傳播到地球上的光子是8分20秒之前，從太陽表面出發的。

但事實上，這個光子是在太陽內核通過氫核聚變產生的。它產生後，並不是直接抵達太陽表面。這是因爲太陽內部也是等離子態，它也被束縛在了其中，碰碰撞撞才勉強能夠串出來，科學家經過計算發現，這個過程平均大概需要14萬年。也就是說，這個光子是大概14萬年前產生的，8分20秒前纔到達太陽表面，然後花了8分20秒的時間抵達地球。

而宇宙是在大爆炸之後38萬年，溫度才降到了3000多度，纔不再是等離子態。此時，光子開始在宇宙中傳播。因此，我們需要加上的膨脹效應應該是宇宙大爆炸之後38萬年到現在的。這樣算下來，可觀測宇宙的半徑就應該是461億光年。

引力波&引力波

但是461億光年和465億光年還是差了4億光年，這個誤差是從哪裏來的呢？

其實就出在了最初的38萬年。我們目前的觀測手段幾乎就是利用電磁相互作用。說白了，就是觀測到電磁波（光子），這和我們看東西是一個原理。我們通過電磁相互作用確實只能看到半徑461億光年的範圍。

可是宇宙中存在着四大作用，分別是強相互作用、弱相互作用、電磁相互作用、引力相互作用。

其中強相互作用和弱相互作用的範圍很小，是屬於原子層面的作用力。因此，如果我們能夠還能利用的僅僅只剩下引力了。好在引力也確實是有辦法的，那就是引力波。剛好引力波是不會因爲等離子態而被束縛的，換句換說，當宇宙大爆炸開始那一刻，引力波就在宇宙中傳播了。

如果我們能夠接收到最早的引力波，也就可以彌補上缺失的“最初的38萬年”。當然，對於引力波，我們也還是需要把膨脹效應考慮進去的。於是，我們就發現“最初的38萬年”所對應的距離就是4億光年，加上之前的461億光年，就可以得到465億光年爲半徑的可觀測宇宙空間。所以，你應該也發現了，可觀測宇宙的範圍其實是一個理想範圍，這裏假設了人類可以觀測到原初引力波，而我們目前其實是做不到的。

其實不僅僅是引力波，還有一種粒子也可以幫助我們瞭解“最早的38萬年”，這個粒子就是中微子。

中微子是電中性的，穿透力極其強，它在宇宙中傳播1光年的距離，只有50%的概率會和這條路徑上的物質發生反應。我們的身體一直都有中微子穿過，而我們卻不得而知，這些中微子主要來自於太陽。

因此，如果我們能夠捕捉到宇宙“最早的38萬年”內產生的中微子，我們也可以瞭解到這個時期都發生了什麼。

總結

由於宇宙是在發生膨脹的，因此，在計算可觀測宇宙時，還需要把膨脹效應考慮進去。於是，我們就可以得到461億光年的結果。而宇宙最早的情況，我們可以利用引力波和中微子來觀測，同樣這也需要考慮宇宙膨脹效應，就可以得到4億光年，加起來就可以得到465億光年的可觀測宇宙範圍。所以，大爆炸理論和相對論是不矛盾的。