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宇宙本身膨胀的速度真的比光速还快吗?

2019-10-09 16:09

10bet体育官方,我们看到的宇宙,从大爆炸开始到现在已经存在了约138亿年。但是如果你要问我们能看到多远,答案并不是138亿光年;事实上比这远得多。如果你努力思考,也许你会想象两倍的那个距离:如果一个发光体在138亿年前距离我们138亿光年,也许它在加速远离我们的过程中发光,也许甚至在以接近光速的速度运动。如果发光体从那时起在以299,792千米/秒的速度匀速远离我们,那么它的光现在应该刚刚到达,而此时那个发光体本身距离我们276亿光年以外。这些全都是推理,但是它有一个不太理想的假设:空间本身是静态的。

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我们所居住的空间并不是静态的,而是在扩张。事实上,我们今天可以测量出膨胀率,一个物体在遥远的过去是什么样,以及在这期间每一个纪元都是什么样的。结果发现,一个在大爆炸时期离我们只有168米远的物体(在大爆炸10^-33秒后)发出的光在138亿年后的今天才能到达我们,它经历了一段不可思议的旅程和数量的拉伸之后,现在位于离我们461亿光年以外的地方。

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“啊哈”,你会说,“那说明了空间膨胀的速度比光快!”

事实真的如此吗?由于为了让一个物体的运动速度超过光速,它需要有一个固定的速度:你可以在一秒内测量出运动的距离有几千米。但宇宙的膨胀完全不是这样。

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相反地,宇宙在以每个距离单元内不同的速度膨胀,通常我的测量是每兆秒差距下每秒的公里数,其中一个兆秒差距大约是326百万光年。如果膨胀速率为70 km/s/兆秒差距,那就意味着,平均来说,一个10兆秒差距以外的物体应该以700 km/s的速度进行扩张;一个200兆秒差距以外的物体以14000 km/s速度后退;一个5000兆秒差距以外的物体以350,000 km/s的速度远离。

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这是否意味着所有事物都在以比光速更快的速度移动?让我们先回到爱因斯坦的狭义相对论,并且想想当我们说没有什么移动得比光快的时候是什么意思。它的意思是,如果你有两个处在相同时空中的物体(在同一时间同一空间),那么它们相对彼此的移动速度不可能超过光速。即使其中一个在以99%光速的速度朝北运动,而另一个以99%光速的速度朝南移动,它们之间并不是以198%光速的相对速度移动,而是99.995%的光速。不管每个物体运动得多快,它们相对彼此的运动速度永远不会超过光速。

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这就是为什么这个理论被叫做相对论的第一个原因,因为它测量的是两个相同空间地点和时间下的两个物体的相对运动。但这个类型的相对论——狭义相对论,只把规则设定在你的局部的、没有膨胀的空间。广义相对论在这基础上增加了一层:空间自身也会膨胀的事实。通过测量正常物质,暗物质,暗能量,中微子,辐射和更多今天宇宙中存在的物质,以及光怎样在宇宙膨胀带来的红移中从不同距离到达我们,我们可以准确地重建在过去某个时间点宇宙到底有多大。

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当宇宙有大约10,000年的年龄时,可观测的宇宙的大小就有1千万光年了。当它只有1岁时,可观测宇宙大小是将近100,000光年。当它年龄为1秒时,它的大小已经超过了10光年。这听起来当然像是膨胀得比光速快,不是吗?但是,在任何时间点上都不存在一个粒子相对另一个有交互的粒子的运动速度超过光速。

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相反地,唯一发生的事情就是粒子间的空间膨胀了,随之,粒子间距离增加,那个空间的辐射波长被拉长了。这已经在宇宙历史上持续发生了上十亿年了,并且在今天会继续发生。即使我们过去在以光速运动,今天也可能永远不会接触到一个156亿光年以外的物体,这不是因为物体在以超过光速的速度后退,而是因为不同位置间的空间在持续膨胀。

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关键的点是空间并不是在以一个特定的速度膨胀,而是以一个特定的速率:每个距离单元下的速度。结果,你看得越远,空间膨胀会对你和观测物体之间的距离影响得越多。只要空间在膨胀,你就可以计算出一个距离,如果你超过它,所有物体都像是在以超过299,792 km/s的速度远离你。一个物体离得越远,你可以肯定它发出的光越红,距离越远,看起来就是在以越来越快的速度远离你。但是超过光速?你需要在相同的位置去测量它。相对于我们的位置,没有东西的运动速度可以超过光速,这在宇宙的所有位置所有时期都是适用的。空间确实在膨胀,但它不仅没有比光速膨胀得快,它甚至连一个膨胀速度都不存在!

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