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為什麼時空膨脹可以比光速還快?是否違反了光速不可超越的基本法則?
2023/05/04

在我們生活的宇宙中,萬物都需要在既定的物理框架下運行,而這些框架就是我們所說的科學,也是宇宙的基本法則。

其中有一個法則雖已經深入人心,但我們有時還是會對其產生質疑,而且我們也很樂意挑戰這個所謂的基本法則。

它是由愛因斯坦在一百多年前提出,即:宇宙中存在一個終極的速限制,也就是光在真空中傳播的速度( 299,792,458 m/s)。

在物理學中我們認為,任何無質量的粒子在真空中的速度都必須是光速,目前我們所知道的光速粒子有三個,分別是光子、膠子和引力子。

任何有質量的粒子都必須在低于光速的速度下運行,哪怕是現在所知最輕的中微子只有1.1eV的質量,比第二輕的電子輕了(5.11×10^5eV)將近1/50萬,它的速度也無法在真空中達到光速。

那麼問題是,宇宙的時空結構為何可以以超光速的速度在膨脹?甚至是導致一些龐大的星系遠離我們速度也超光速了?

這似乎違反了光速不可超越的基本法則?下面我們就說下這個問題。

尺縮效應

1905年的時候,愛因斯斯坦提出了具有革命性意義的狹義相對論,改變了我們之前對固有時空的看法,例如:尺縮效應和時間膨脹效應。

這兩個效應的神奇程度不亞于魔法一般,其中狹義相對論的誕生來源于愛因斯坦對光的思考,并且提出了三個基本的命題,這也是狹義相對論的奠基石。

1、不論你是誰,不論你處在怎樣的狀態,光速對你來說都是恒定不變的。

2、不論你處在怎樣的位置、不論你以怎樣的方式在運動,你所看到的物理定律都是一樣的。

3、光的傳播不需要任何的介質,有時間和空間足以。

這三個基本命題最令人頭疼的就是光速不變原理,因為這個原理違背了我們日常的生活經驗,還有速度疊加在我們生活中隨處可見。

例如:兩個相向、同向行駛的車,它們之間的速度滿足疊加原理;你騎個腳踏車,向前扔個小球,在地面上的人看來,小球的速度肯定要加上腳踏車的速度。

但是光速不是這樣的,它相對于任何事物,都是同樣不變的速度。

邁克爾遜干涉儀的基本原理圖

這件事對我們來說根本無法理解,但是早在1881年科學家阿爾伯特·邁克爾遜和愛德華·莫雷就通過實驗的手段證實了光速不變。

實驗的基本原理是這樣的,制造一個干涉儀,在光源處發射一束光,當光經過分束器的時候,會將光線分為兩束互相垂直的相干光,這兩束光具有相同的波長。

接著這兩束光經過相同的傳播距離再次被反射回來,就會形成新的干涉圖案。這里有個關鍵點,如果一條分量上的光速發生了變化,那麼它就會相對于另外一個分量上的光發生滯后。

在兩束光相遇的時候干涉條紋就會發生變化。但是實驗的結果是,即使地球在宇宙中以大約30公里/秒的速度繞太陽運行,干涉條紋也沒有發生變化。

這說明不管是哪個分量上的光,都不會因為地球如此快速的運動,而速度發生變化。 依然會保持光速。不滿足我們認為的速度疊加原理。

所以光速不變并不是愛因斯坦的憑空想象,而是實驗的結果。雖然光速不滿足于簡單的速度疊加,但是相對于光速的運動,會讓我們看到光線的紅移和藍移現象。

在1916年,愛因斯坦最大的成功就是將引力納入了相對論中,為我們重塑了宇宙的時空結構,在此之前我們用牛頓的引力理論去解釋萬物。

但是出現了一些問題,例如在大質量天體或者能量下牛頓引力不夠精準,解釋光線彎曲的問題上也一樣,而廣義相對論的出現就解決了以上的問題,牛頓引力也成為了相對論引力的一個近似值。

廣義相對論將引力解釋為質量/能量對宇宙時空的彎曲,而彎曲的時空又影響著宇宙萬物的運動。水星軌道異常進動問題,以及1919愛丁頓對日食的觀測證明了廣義相對論的正確。

新的引力理論和時空概念,讓我們認識到我們身處的宇宙不可能是精致的,它要麼在引力的作用下收縮,要麼膨脹,總之愛因斯坦的宇宙是一個動態的宇宙。

其實早在1924年,天文學家就觀測到宇宙中的星系與我們之間的距離和星光的紅移之間有著密切的聯系,雖然星系都在宇宙中相對運動,沒有絕對靜止的物體,但這個相對的速度只有每秒幾千公里。

而我們觀測到星光紅移量要遠遠大于星系相對于運動所能帶來的紅移效果。并且我們發現這些星系離我們越遠紅移量越大。

根據愛因斯坦的理論,科學家們立即就意識到了我們處在一個加速膨脹的宇宙當中,星系退行速度隨著距離的增大是因為整個宇宙的時空在加速膨脹。

這就跟你蒸面包一樣,面團里面的葡萄干就像是宇宙中的星系,當面團膨脹變大的時候,里面的葡萄干會互相遠離對方,并且最遠的那個葡萄干似乎遠離的速度更快。

但這不是因為葡萄干或者星系在運動,它們自認為自己一直處在靜止狀態,而變大的是整個面包或者是時空。

例如,你現在上海居住,而另外一個人在北京居住,你們一年時間都沒有離開自己所在的城市,你們都認為自己是靜止的,如果地球在膨脹,那麼你們也會認為對方在遠離自己。

星系也是一樣的道理。宇宙中的第一批星系出現在宇宙誕生后的數億年間,它們剛出現的時候,所發出的光線就開始向外傳播。

經過了130億年甚至是更長的時間,星系的光才到達地球。這些光線剛被星系發出來的時候,可能在紫外線波段,但由于空間在膨脹,光線已經被拉伸到了紅外線波段。

我們接收到這些光線,經過測量紅移值,我們就得出了星系正在加速遠離我們,而且速度已經超過了光速。

但實際上這些星系根本就沒有動,更沒有相對于空間以光速運動,它們相對于空間的速度估計只有2%的光速,甚至更低。

我們說光速是宇宙中的極限速度,意思是萬物相對于空間的運動速度不能超過光速。而這個法則并沒有限制空間本身,空間的膨脹速度并沒有上限,并且它并不會違反因果論,也不會傳遞任何信息。

最主要的是,空間的膨脹并不是我們平時認為的物體的速度,而是單位距離的速度變化率,單位是 km/s/mpc,更像是一個頻率。

空間的加速膨脹導致了宇宙雖說只有138億年,但我們現在能看到的星系,或者是宇宙的范圍已經達到了461光年的距離。

而且目前180億光年以外的位置,星系推行的速度已經超過光速,即使我們現在以光速追這些星系,也永遠無法到達。

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