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为什么时空膨胀可以比光速还快?

在我们生活的宇宙中,万物都需要在既定的物理框架下运行,而这些框架就是我们所说的科学,也是宇宙的基本法则。

在我们生活的宇宙中,万物都需要在既定的物理框架下运行,而这些框架就是我们所说的科学,也是宇宙的基本法则。

其中有一个法则虽已经深入人心,但我们有时还是会对其产生质疑,而且我们也很乐意挑战这个所谓的基本法则。

为什么时空膨胀可以比光速还快?

它是由爱因斯坦在一百多年前提出,即:宇宙中存在一个终极的速限制,也就是光在真空中传播的速度( 299,792,458 m/s)。

在物理学中我们认为,任何无质量的粒子在真空中的速度都必须是光速,目前我们所知道的光速粒子有三个,分别是光子、胶子和引力子。

为什么时空膨胀可以比光速还快?

任何有质量的粒子都必须在低于光速的速度下运行,哪怕是现在所知最轻的中微子只有1.1eV的质量,比第二轻的电子轻了(5.11×10^5eV)将近1/50万,它的速度也无法在真空中达到光速。

那么问题是,宇宙的时空结构为何可以以超光速的速度在膨胀?甚至是导致一些庞大的星系远离我们速度也超光速了?

这似乎违反了光速不可超越的基本法则?下面我们就说下这个问题。

为什么时空膨胀可以比光速还快?

1905年的时候,爱因斯斯坦提出了具有革命性意义的狭义相对论,改变了我们之前对固有时空的看法,例如:尺缩效应和时间膨胀效应。

这两个效应的神奇程度不亚于魔法一般,其中狭义相对论的诞生来源于爱因斯坦对光的思考,并且提出了三个基本的命题,这也是狭义相对论的奠基石。

1、不论你是谁,不论你处在怎样的状态,光速对你来说都是恒定不变的。

2、不论你处在怎样的位置、不论你以怎样的方式在运动,你所看到的物理定律都是一样的。

3、光的传播不需要任何的介质,有时间和空间足以。

为什么时空膨胀可以比光速还快?

这三个基本命题最令人头疼的就是光速不变原理,因为这个原理违背了我们日常的生活经验,还有速度叠加在我们生活中随处可见。

例如:两个相向、同向行驶的车,它们之间的速度满足叠加原理;你骑个自行车,向前扔个小球,在地面上的人看来,小球的速度肯定要加上自行车的速度。

但是光速不是这样的,它相对于任何事物,都是同样不变的速度。

为什么时空膨胀可以比光速还快?

这件事对我们来说根本无法理解,但是早在1881年科学家阿尔伯特·迈克尔逊和爱德华·莫雷就通过实验的手段证实了光速不变。

实验的基本原理是这样的,制造一个干涉仪,在光源处发射一束光,当光经过分束器的时候,会将光线分为两束互相垂直的相干光,这两束光具有相同的波长。

接着这两束光经过相同的传播距离再次被反射回来,就会形成新的干涉图案。这里有个关键点,如果一条分量上的光速发生了变化,那么它就会相对于另外一个分量上的光发生滞后。

为什么时空膨胀可以比光速还快?

在两束光相遇的时候干涉条纹就会发生变化。但是实验的结果是,即使地球在宇宙中以大约30公里/秒的速度绕太阳运行,干涉条纹也没有发生变化。

这说明不管是哪个分量上的光,都不会因为地球如此快速的运动,而速度发生变化。依然会保持光速。不满足我们认为的速度叠加原理。

所以光速不变并不是爱因斯坦的凭空想象,而是实验的结果。虽然光速不满足于简单的速度叠加,但是相对于光速的运动,会让我们看到光线的红移和蓝移现象。

为什么时空膨胀可以比光速还快?

在1916年,爱因斯坦最大的成功就是将引力纳入了相对论中,为我们重塑了宇宙的时空结构,在此之前我们用牛顿的引力理论去解释万物。

但是出现了一些问题,例如在大质量天体或者能量下牛顿引力不够精准,解释光线弯曲的问题上也一样,而广义相对论的出现就解决了以上的问题,牛顿引力也成为了相对论引力的一个近似值。

广义相对论将引力解释为质量/能量对宇宙时空的弯曲,而弯曲的时空又影响着宇宙万物的运动。水星轨道异常进动问题,以及1919爱丁顿对日食的观测证明了广义相对论的正确。

为什么时空膨胀可以比光速还快?

新的引力理论和时空概念,让我们认识到我们身处的宇宙不可能是精致的,它要么在引力的作用下收缩,要么膨胀,总之爱因斯坦的宇宙是一个动态的宇宙。

其实早在1924年,天文学家就观测到宇宙中的星系与我们之间的距离和星光的红移之间有着密切的联系,虽然星系都在宇宙中相对运动,没有绝对静止的物体,但这个相对的速度只有每秒几千公里。

为什么时空膨胀可以比光速还快?

而我们观测到星光红移量要远远大于星系相对于运动所能带来的红移效果。并且我们发现这些星系离我们越远红移量越大。

根据爱因斯坦的理论,科学家们立即就意识到了我们处在一个加速膨胀的宇宙当中,星系退行速度随着距离的增大是因为整个宇宙的时空在加速膨胀。

为什么时空膨胀可以比光速还快?

这就跟你蒸面包一样,面团里面的葡萄干就像是宇宙中的星系,当面团膨胀变大的时候,里面的葡萄干会互相远离对方,并且最远的那个葡萄干似乎远离的速度更快。

但这不是因为葡萄干或者星系在运动,它们自认为自己一直处在静止状态,而变大的是整个面包或者是时空。

例如,你现在上海居住,而另外一个人在北京居住,你们一年时间都没有离开自己所在的城市,你们都认为自己是静止的,如果地球在膨胀,那么你们也会认为对方在远离自己。

星系也是一样的道理。宇宙中的第一批星系出现在宇宙诞生后的数亿年间,它们刚出现的时候,所发出的光线就开始向外传播。

经过了130亿年甚至是更长的时间,星系的光才到达地球。这些光线刚被星系发出来的时候,可能在紫外线波段,但由于空间在膨胀,光线已经被拉伸到了红外线波段。

我们接收到这些光线,经过测量红移值,我们就得出了星系正在加速远离我们,而且速度已经超过了光速。

但实际上这些星系根本就没有动,更没有相对于空间以光速运动,它们相对于空间的速度估计只有2%的光速,甚至更低。

为什么时空膨胀可以比光速还快?

我们说光速是宇宙中的极限速度,意思是万物相对于空间的运动速度不能超过光速。而这个法则并没有限制空间本身,空间的膨胀速度并没有上限,并且它并不会违反因果论,也不会传递任何信息。

最主要的是,空间的膨胀并不是我们平时认为的物体的速度,而是单位距离的速度变化率,单位是 km/s/mpc,更像是一个频率。

空间的加速膨胀导致了宇宙虽说只有138亿年,但我们现在能看到的星系,或者是宇宙的范围已经达到了461光年的距离。

而且目前180亿光年以外的位置,星系推行的速度已经超过光速,即使我们现在以光速追这些星系,也永远无法到达。

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