爱因斯坦狭义相对论给光速画了一个红线,就是宇宙中光速是最快的,是天花板,所有物质运动都不得突破这个天花板。而在宇宙标准模型中,宇宙膨胀是超过光速的,这样,许多网友就很疑惑,既然物质运动不得超过光速,为啥宇宙膨胀就可以呢?
网上诸如此类的问题很多,见下面截图:
这类问题都差不多,就是弄不清宇宙膨胀超光速与物体运动光速之间的区别,而后一个问题本身似乎已经给出了答案。简单地说,光速藩篱要求的是,有静质量的物体不能超过光速,而宇宙膨胀是时空的膨胀,时空本身没有质量,当然就不受光速限制了。
此类问题我过去已经回答过多次,看到网络上还有许多朋友闹不明白,就再简要而系统地说一遍,如果朋友们能够耐心看完,相信就会完全明白了。如果还有疑问,请在下方评论区留言,我会尽量解答。
但有一点需要说明,我的一切回答都是基于现代科学界公认的科学常识,如宇宙学标准模型。所谓宇宙学标准模型,就是以爱因斯坦的广义相对论为基础,描述均匀各相同性宇宙运动规律的模型。
如果不屑于承认科学常识(也就是科学界共识)的人,硬要杠精一下,就恕不奉陪了。
何谓宇宙膨胀?所谓宇宙膨胀是指整个宇宙的大尺度不断胀大,是由美国著名天文学家埃德温·哈勃率先发现并提供证据的。人们为了纪念他,第一艘顶级空间望远镜就以他的名字命名,哈勃空间望远镜升空后,让人类大大开阔了视野,对宇宙有了颠覆性的认识。
哈勃是在1929年根据长期观测,得出宇宙膨胀结论的。这个结论认为,整个宇宙都在不断膨胀,而且是均匀的,所有的星系都在均匀地彼此分离,相互隔得越来越远。从地球观测,各个方向都是一样的,这就叫各向同性;距离我们越远的星系,退行速度就越快,退行速度与距离成正比关系。
由此,他得出了哈勃定律,简单表述为:V=HD。这里的V表示星系退行速度;H代表哈勃常数,定义为在距离我们10Mpc位置,星系退行速度,单位s/km(秒/千米);D表示星系与我们的实际距离。Mpc是百万秒差距单位,1pc(秒差距)约为3.26光年。
这个观测结果完全符合爱因斯坦广义相对论理论描述,解决了爱因斯坦场论与绝对时空观的矛盾,从而为大爆炸宇宙模型增加了关键性重要证据,说明宇宙从奇点爆炸开始,膨胀一直没有停止过。
如果形象的比喻,现在的宇宙就像一个正在膨大的气球,这个气球就是奇点膨胀而来,所有星系物质都是气球膜上的星星点点花纹,随着气球的不断胀大,这些星星点点的花纹都在相互远离,在气球表面任何一点向四周看都是一样的,因此宇宙没有中心。
这个气球的膜就是宇宙空间(也可以说是时空),没有质量,星星点点的花纹就镶嵌在宇宙空间的星系,是有质量的。这些有质量的星系本身并没有动,就像坐在火车上的人,火车在飞奔,车上的人并没有飞奔。
也可以想象成烤面包,面包本身是时空,面包在膨胀,镶嵌在里面的葡萄干也随之距离相互拉开,但葡萄干没有动,只是随着面包的膨胀相互隔得更开而已。
随着宇宙空间的膨胀,原来挤在一起的星系就相互隔得越来越开,看起来就是相互远离。而宇宙膨胀只是时空的膨胀,不是有质量的物体运动,因此不受光速藩篱约束。
宇宙膨胀速度是如何计算出来的宇宙膨胀速度计算就是根据哈勃定律进行的。前面说了,哈勃定律里面有几个代数,V代表总速度,H代表哈勃常数,D代表实际距离。根据这个公式,首先要知道哈勃常数,才有可能代入数据进行计算。
为了得到一个准确的哈勃常数,几十年来,许多天文学家想方设法进行了大量的测量工作,得到几个具有代表意义的数据:
2006年,马歇尔太空飞行中心利用钱卓X射线望远镜得到的结果是77km/s,误差约15%;2009年,NASA(美国宇航局简称)根据la超新星测量得到的结果为74.2±3.6km/s;2013年,欧空局根据普朗克卫星测量得出的结果为67.8±0.77km/s;2019年,德国科学家利用引力透镜效应得出的结果为82.4km/s。
每种方法测得的数据并不完全一致,甚至有较大相差。不同的数据计算出的宇宙年龄和膨胀速率是不一样的,今天我们将这些数据折中一下,得到一个平均值为:(67.8 77 74.2 82.4)/4=75.35km。
也就是说,在距离我们326万光年的位置,星系离开我们的速度约为75.35km/s,根据这个折中的哈勃常数来测算宇宙膨胀速度,按照各向同性,越远越快,与距离成正比例关系的原则,就可以计算出任意距离星系相对我们的退行速度了。
如326万光年的地方为75.35km/s;1亿光年的地方为2311.35km/s。
我们可观测宇宙半径为465亿光年,也就是说距离我们最远的那个星系,离开我们或者说退行速度就达到1074777.75km/s了。这个速度约光速的3.58倍,这就是所谓宇宙膨胀速度大于光速的由来。
既然宇宙膨胀速度大于光速几倍,为啥我们感受不到呢?这是因为所谓宇宙膨胀大于光速,是整个宇宙膨胀的叠加速度,形象地说是整个宇宙气球的总膨胀速度,是我们与可观测宇宙最远的星系相互离开的速度,不是近距相互之间星系分开的速度,这是宇宙大尺度整体的一个规律,不能用在附近天体。
我曾经用插竹竿比喻过这种效应,如果插1000根竹竿,每根相差1公里,我们将每根竹竿距离都同时拉开1米,距离我们最近的这根竹竿在1公里距离离开我们1米,视觉上根本很难感受到;但在距离我们1000公里的那根竹竿,就与我们瞬间拉开了1000米了,但这种速度增加效应就非常明显了。
到了3亿根竹竿的位置,所有的竹竿1秒钟时间移动1米(均匀膨胀),在第3亿根竹竿的位置,与观测者(比如地球)的距离不就每秒钟拉开了3亿米吗,就达到光速了。
这说明宇宙膨胀只是大尺度膨胀,在距离很近的地方,膨胀很慢,也不明显。
近距离的天体之间主要还是受到引力约束,如太阳系甚至银河系,都是依靠引力凝聚在一起,受到宇宙膨胀的影响很难感测出来。即便距离我们254万光年的仙女座星系,由于与银河系之间的巨大引力作用,还在不断靠近,预测在30~40亿年后,这两个星系就会相撞融合在一起。
但总体科学观测证明,遥远的星系都在离我们远去,最明显的证据就是红移现象。这是光波的多普勒效应。凡以波的方式传播的事物都有多普勒效应,如声波,高速靠近我们的汽车或火车鸣笛,就比不动时高亢;而远离时声音就会比不动时低沉。
光波的多普勒效应就是高速靠近的物体光谱会向蓝端移动,简称蓝移;高速远离的物体光谱会向红端移动,简称红移。科学家们观测远方星系,都是红移,红移量与距离成正比,所以,通过红移量就可以判定星系离开我们的速度。
而根据哈勃定律,得到了星系离开我们的速度,就能够推算出这个星系与我们的距离。科学家们观测到的仙女座星系光谱发生蓝移,因此证明其正在靠拢我们。
至此,我们应该明白了,宇宙膨胀超光速只是整体空间叠加起来的超光速,而每个局部膨胀速度是很慢的,有的还受引力影响相互靠近。因此,宇宙膨胀超光速与爱因斯坦光速极限,不得超越的理论完全不是一码事。
这就是宇宙膨胀的基本内容,欢迎讨论,感谢阅读。
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