「科普知識」爲什麼宇宙可以「超光速膨脹」?

大爆炸/宇宙膨脹/超光速,這三個標籤永遠存在於宇宙吧十大話題之中,從未停止過對於它們的爭論。有些反大爆炸理論的邏輯是這樣的:宇宙年齡137億年→可觀測宇宙460億光年→沒有東西可以超光速→大爆炸理論不可能是真的。但是,事實上宇宙膨脹是可以超光速的……

那麼宇宙確實超光速膨脹嗎?

答案是肯定的。我們來做個簡單的計算,哈勃常數的值在70公里每秒每百萬秒差距左右,那麼先撇開相對論的因素不談,42億秒差距(138億光年)外的星系就相對於我們以超光速遠離了!

這個速度還不算什麼,要知道在大爆炸之後的

10^-35到10^-33秒之間的一瞬經歷了所謂的大暴漲,宇宙從一個原子核大小膨脹到了太陽系大小。要知道即使是光,在這麼短的時間內能走的距離還不到原子核直徑的百億分之一,當然接下來膨脹速率就放緩很多了……(圖中縱向是空間跨度)

「科普知識」為什麼宇宙可以“超光速膨脹”?

那麼我們遇到了第一個問題:如果一個星系向我們遠離的速度大於光速,它的光怎麼能傳播到我們這裡呢?我不提什麼光速不變,鐘慢尺縮,我就舉一個簡單而形象的例子:

我們假設有一根牛逼的橡皮筋,長1000米;有一隻蝸牛,在橡皮筋的一段向另一端以每小時1米的速度爬。當它開始爬的時候,橡皮筋開始以每小時100米的速度無限拉長,問蝸牛是否能在有限長的時間裡爬到另一端?

「科普知識」為什麼宇宙可以“超光速膨脹”?

橡皮筋拉長速度都是蝸牛速度一百倍了……然而事實恰恰相反,蝸牛是可以爬到另一端的。要知道,蝸牛已爬過的路程也是隨著橡皮筋的拉長而拉長的,蝸牛爬過的橡皮筋的比例在不斷增加,這個比例最後會達到1。當然了,並不是所有比例增加的數列都會在有限長的長度內總和達到1(比如0.5+0.25+0.125+……),但是這個蝸牛的例子裡比例確實最後會等於1。

假設蝸牛爬過的橡皮筋的比例隨時間t的函數是f(x),那麼一個簡單的一次微積方程就可以解決:

「科普知識」為什麼宇宙可以“超光速膨脹”?

兩萬多億億億億億小時後蝸牛才爬到了另一端,但也是爬到了。現在,我們把蝸牛視作光,把這根橡皮筋視作該星系和我們之間的距離,就可以理解光從超光速遠離我們的星系傳播到我們這裡了。當然,當前宇宙膨脹速度並沒有光速的一百倍之多,所以時間跨度也沒那麼誇張。

那麼接下來遇到的一個問題是,宇宙膨脹超光速是否違背相對論?

答案是否定的。我們熟知的具有靜質量的物體不能達到光速是狹義相對論提到的,在廣義相對論中愛因斯坦加了一條,觀測者只能測量其鄰域中的物理量。

「科普知識」為什麼宇宙可以“超光速膨脹”?

說到底,宇宙在大尺度上並不是一個閔氏時空(雖然局部上來看,空間像是靜態平直的)。當前,暗能量接過了宇宙膨脹的交接棒,空間來不斷地受到整體拉伸。簡單來說,你不能說一個“超光速遠離”你的星系相對於你在超光速運動,因為它不在你的鄰域,不屬於同一個參考系內。

同時,對於觀測者而言,在局部的慣性系中,經過其領域的有質量粒子無法達到光速。但是,空間本身的膨脹不受此限制,不以光速為上限。光速=因果性傳遞速度的上限,但是宇宙膨脹不具有因果性傳遞。


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