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宇宙膨胀速率可以比光速快很多,为什么爱因斯坦还说光速不可超越

时间:2019-07-16 05:27:18 浏览量:
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当你想到宇宙从何而来,你可能会想到热的大爆炸是我们的起源。根据大爆炸理论,我们从一个早期的、密集的、均匀的高能量物质和辐射状态开始,然后膨胀、冷却、聚集成今天我们居住的宇宙。但在大爆炸之前,宇宙经历了一段宇宙膨胀时期,这为我们今天观察到的宇宙的诞生创造了初始条件。在膨胀期间,宇宙以指数形式膨胀,短短一秒内将一个极小的空间区域的结构拉伸得非常远,远远大于今天可见的宇宙。任何两个粒子看到对方后退的速度都会比光速快得多,这就形成了一个悖论:如果没有什么东西比光速还快,那么宇宙膨胀是如何发生的呢?答案将会改变你对宇宙的看法。

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爱因斯坦的狭义相对论是20世纪最重要的进步之一。它指出宇宙有一个速度极限:光速,没有任何两个粒子的运动速度能超过它们之间的速度,即使它们没有质量。但大多数人都不明白最后一部分,“相对而言”到底是什么意思。爱因斯坦的理论实际上是说,在时空中,任何两个观测者在同一事件上的相对运动速度都不能超过光速,即真空中的光速。但什么是事件呢?它在空间和时间上都是同步的。换句话说,光速的极限只适用于同一时间同一点的两个物体。

这并不意味着物体可以突破宇宙速度限制!但这确实意味着,除非你在同一时刻处于同一地点,不同的观察者对于物体移动的速度会有不同的看法。如果两艘火箭船以60%的光速远离你,一艘向左,一艘向右,你会看到它们以120%的光速远离对方。他们会看到你们以60%的光速远离自己,但他们只会看到另一艘船以88%的光速远离。如果他们生活在一个不断膨胀的宇宙中,事情就会变得更加不可思议。

由于速度限制只适用于同一时空事件中的两个物体,因此,由于空间结构本身的变化,比如说相互分离的物体会受到任何额外运动的影响。如果你和你所观察到的物体之间的空间在膨胀(或收缩),它看起来会更快地远离你或走向你。无论空间以何种速率扩张(或收缩),都会导致来自它的光红移或蓝移,导致那个物体看起来远离你,即使它的相对论运动是零。

在我们今天的宇宙中,由于宇宙在膨胀,来自遥远星系的光出现红移。因此,离我们更远的物体后退的速度似乎比单纯的膨胀率外推会更快,这是因为我们的宇宙不仅包含物质和辐射,还包含暗能量。膨胀率随时间变化的方式取决于宇宙是由什么组成的。在大爆炸后的头几千年里,辐射占主导地位。在那之后的数十亿年里,物质主宰一切。而今天,是暗能量。但是在大爆炸之前,宇宙以指数级的速度膨胀,这使得宇宙变平,并在任何地方赋予它均匀的性质。这是在宇宙膨胀时期。

指数膨胀意味着膨胀率不会随着时间的推移而变慢,当远处的点以越来越慢的速度相互远离时,膨胀率不会下降。因此,随着时间的推移,远处的距离会增加一倍,然后是四倍,八倍,十六倍,三十二倍等等。

因为扩张不仅是指数级的,而且速度快得令人难以置信,“倍增”的时间间隔大约是10的负35次方秒。也就是说,经过10的负34次方秒的时间,宇宙大约是它最初大小的1000倍;经过10的负33次方秒,宇宙大约是它最初大小的10的30次方倍;经过过去了10的负32次方秒,宇宙大约是最初大小的10的300次方倍,以此类推。指数函数并不因为它快而强大,;它如此强大,是因为它是不间断的。

如果两个粒子在这种膨胀状态下彼此非常接近,它们仍然必须遵守狭义相对论的定律:它们只能以低于光速的速度相对于另一个粒子运动。但它们之间的空间可以自由地以宇宙规定的任何速度膨胀。如果这意味着你可以通过结合相对运动(狭义相对论)和扩展空间(广义相对论)的效应来推断出它们的相对速度大于光速,那就没有什么可怕的了。

如果你看看今天我们宇宙中的星系,那些超过150亿光年的星系离我们的距离似乎比光速还快。如果你今天坐上一艘宇宙飞船,以光速向他们飞去,你永远也达不到他们。宇宙的膨胀告诉我们,空间结构的拉伸速度比我们在光速下所能覆盖的距离还要大;随着时间的流逝,我们和他们之间的距离增加了超过1光年。在宇宙的临界距离之外,所有的星系都永远无法到达。膨胀率没有理论界限,因为膨胀率本身不是速度,而是宇宙的性质,它是由宇宙中的能量决定的。如今,这一速度约为70公里/秒,但在宇宙膨胀期间,可能高出10的50次方倍。

在一个膨胀的宇宙中,任何两个粒子,只要超过极小的几分之一秒,就会看到另一个粒子以比光速还快的速度远离它们。但这并不是因为粒子本身在运动,而是因为它们之间的空间在膨胀。

一旦粒子不再在空间和时间上处于同一位置,它们就可以开始体验到宇宙膨胀时的广义相对论效应,在膨胀期间,这种广义相对论效应很快就支配了它们各自运动的特殊相对论效应。只有当我们忘记广义相对论和空间的膨胀,而将遥远粒子运动的全部归结为狭义相对论时,我们才会欺骗自己相信它比光速还快。然而,宇宙本身并不是静止的。意识到这很容易。理解它是如何工作的是最困难的部分。

编辑:时雨
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