宇宙有限大光速

4Q:
影響人一生的生活、目標、成就、以及結果。
它們分別是：
1、我是誰？who am I?問其人本質的認同
2、我那裡來？Where did I come from?問其人的背景的認同
3、我來這裡做什麼？Why am I here?問人對其生活工作的認同
4、我往那裡去？Where will I go?問人生終極目標

「宇宙有多大？」是個玩味的問題，這問題和「我們能看到的宇宙有多大」並不一樣，而且很不一樣。
換句話說，
即使現今的宇宙是無窮大，
我們所能見到的範圍卻永遠是有限大。
目前宇宙的年齡大約140億歲(時間)，可見宇宙的範圍卻是一個半徑約460億光年(有限大)的球體！

你的腦筋是否已經打結了呢？

要估算樹的年齡，用年輪，
要估算宇宙的年齡時，得先找到「宇宙年輪」：
一個會隨時間改變的物理量。

目前已找到且被應用的宇宙年輪是
「宇宙微波背景輻射」（cosmic microwave background, CMB），
它是來自宇宙初生時的光，它的溫度是「宇宙溫度」。

由於能量守恆，CMB的溫度會隨宇宙的膨脹而下降，因此可由CMB目前的溫度 「2.73K」，
推得宇宙已膨脹了約「140億年」之久
（宇宙溫度由初生時的近無窮大降至3,000K，約40萬年的時間，
因此宇宙初生時的確實溫度對這140億歲(時間)的估算值影響甚小）。
但在這個推算過程中，實際上已使用了一些額外的資訊，
包括現今宇宙的組成中暗能量約佔70%、暗物質約佔20% ，
因此，如果未來，這些資訊因新觀測數據而有所改變，或宇宙學模型有重大修正，
則這140億歲的估算值將會再重新估算。

由於宇宙的年齡是有限大的，所以光源太遙遠的光，將在宇宙現今的有限之齡還來不及到達我們這裡，
它還在半路上。因此我們目前所能見到的宇宙大小，
受限於光自宇宙誕生至今所能走的最遠距離，
由此距離為半徑所畫出的球體，便是我們現今所能觀測到的宇宙範圍。
也就是說距今10億年後，我們所能見到的宇宙範圍將會更大，
因為來自宇宙誕生、更遠處的光將會陸續抵達我們。

那麼「光」走140億年的距離不就是140億「光年」嗎？
為何可見宇宙範圍的半徑竟高達460億光年？
那是因為宇宙一直在膨脹！
光走一年的距離原本應為一光年，但由於宇宙膨脹的關係，會把原本光已走過的一光年拉得更長！
因此依理論計算，同時採用上述暗能量和暗物質的比例資訊，

我們可推得目前可觀測宇宙的範圍，約是一個以我們為球心、半徑為460億光年的球體。

舉一反三，就一個位在遠處的外星人而言，他所能見到的宇宙大小雖和我們相同，但實際的範圍卻不相同，
這就像在霧中行車，每位駕駛的視線距離是相同的，皆受限於霧的濃度，
但駕駛的視線範圍卻不相同，因為他們的位置不同。

你腦中的結已解開了嗎？但願沒有更糟！

我們都知道光速很快，約每秒30萬公里，一秒鐘可繞地球七圈半。
就是因為太快了，古希臘學者一直相信光速是無窮大。
笛卡兒甚至認為，光速如果不是 無窮大，整個哲學體系都要重寫。

1676,丹麥天文學家 O.Roemer羅莫， 發現木衛一每次月食開始的時間都不太一樣。
而且，我們越靠近木星，月食開始時間越早。
羅莫推估，這個時間差，就是光穿越地球軌道所需要的時間。
只要知道地球繞太陽公轉的軌道半徑，就可以推估光速。
當時由於精準度不太理想，羅莫的測量值，大約比 精確值短少了約26%，
不過這是首次測量出光速數值，也確認了光速是有限的，而不是無窮大。

1905年，愛因斯坦提出狹義相對論，更大膽地做了一個假設：
真空中的光速在等速相對運動的座標系中都相同，意味著即使我們等速朝著光源跑，看到的光速也 不會增加。
以前有助教在上相對論課時，講個笑話：
某甲以0.8光速，乙以0.7光速互相接近，這樣甲看乙接近的速度，不就應該超過光速嗎？
事實上， 當我們看著高速運動的物體乙時，不但同向的長度會縮短，上面的時鐘也會走得比較慢，
也就是乙的時空會隨著運動而扭曲，我們看到的會是一個非常奇異的世界。 
愛因斯坦的假設經過了多次實驗證實，後來造成深遠的影響，然而實在是超乎想像，
對一般民眾而言，恐怕是20世紀最震撼的結果。

也因為光速在任何時間、任何地點量都一樣，
1983年，國際度量衡標準局ISO正式將一公尺的定義改成光行進1/299792.4580秒的距離。
從那天開始，精確測量光速的意義，變成精確測量一公尺的長度為何。

有質量的物體，運動速率永遠沒有辦法超過光速，則是相對論的另一個重要結論。

愛因斯坦的狹義相對論，質能可以互變，其公式就是E＝mc2。
而且有質量 的物體，一旦動起來，質量不但會增加，而且速率一旦接近光速，
物體的質量，也就是能量會急速飆升，當速率挺進到光速時，能量就會變成無窮大。
換句話說，要 把有質量的物體加速，剛開始還算古典的困難，一旦速率越來越快，加速就會越來越困難，需要補給的能量當然就會越來越不像話。不難想像，任何有質量的物體， 想要達到光速，絕對是不可能的任務。

光速是不可超越的這件事，在歷史上也曾遇上不少挑戰，但後來一一以失敗告終。
愛因斯坦和波耳的世紀大論戰，最後發現兩個纏結的基本粒子，即使距離再遙遠， 也會透過量子效應瞬間互動，好像雙生子的心電感應。
愛因斯坦認為這個結果違背相對論。但是，有人認為這些量子互動，也許是經由微觀蠹孔傳遞，並沒有違背相 對論。另外最近很熱門的微中子超光速事件，最後則被證實是烏龍一場。雖然我們無法證明一個理論是對的，但是相對論的普適性，至今沒有任何可信的反證，因此 多數物理學家相信，光速是不可超越的。