愛因斯坦是說有質量的物體不可能達到光速,他又說宇宙膨脹超過光速,是否自相矛盾?

宏樂183


愛因斯坦狹隘相對論的基本定律之一就是宇宙中沒有任何東西的速度能超過真空中的光速。無靜止質量的粒子必須以光速運動,而靜止質量非零的物體不可能達到光速,不管被注入多少能量,理論上需要無限的能量才能將一個有質量的物體加速到光速,這是因為粒子本身的質量與速度成比例,簡而言之,你走得越快,就會越重。更違反直覺的是,如果一個接近光速的物體發射出一束光,它的速度也不會是光速的兩倍。

宇宙一直在膨脹中,如果你觀察一個星系,這個星系離我們越遠,它遠離我們的速度就越快。室女座的星系,大約有5000萬到6000萬光年遠,平均以1200公里每秒的速度遠離我們,後發星系團中大約3.3億光年遠的星系以每秒7000公里的速度遠離我們,最遠星系正在以超越光速遠離我們。

當然宇宙的膨脹速度比光速還快並沒有與狹義相對論相矛盾。絕對速度極限的概念來自於狹義相對論,在狹義相對論中,時空是一種固定的、平坦的閔可夫斯基幾何、可以選擇一個全局參照系,並將這條規則擴展到遙遠的物體上。當說一個物體在運動時,指的是它相對於時空網格的位置變化,光速只是存在於時空中的物體的約束,而不是時空本身。但是宇宙的膨脹發生在彎曲的時空中,因此,宇宙本身的膨脹根本不受光速的限制。換一種說法即宇宙的膨脹沒有速度,在遙遠的宇宙中遠離我們的星系根本沒有移動,相反,是它們之間的空間在膨脹,單個星系本身相對於空間本身是靜止的。

因此,宇宙膨脹的速度比光速還快,一些星系正在以比光速還快的速度遠離地球,由於它們的高速遠離,以至於從它們發出的光永遠無法到達太陽系,這些星系永遠不會被我們看到。

所以,雖然光速對我們這些生活在宇宙中的人類來說仍然是一個不可逾越的障礙,但它不能限制時空本身的膨脹。宇宙一直在以超光速膨脹,但光速限制了我們能看到的範圍,也限制了我們移動的速度。


科學閏土


愛因斯坦的相對論不允許物質的運動速度超過光速,或者說不允許能量、信息的傳遞速度超過光速。而在宇宙中足夠遠的兩個位置可以找到這樣兩個物體,它們相互遠離的速度會超過光速。這和是否違背了愛因斯坦的相對論?不,並沒有違背相對論。

宇宙誕生於138億年前的一次大爆炸,目前可觀測的宇宙半徑大約是465億光年。有人可能會覺得奇怪了,即使以光速向前運動,乘以運動的時間138億年,得到的結果是138億光年。宇宙的半徑怎能超過138億光年?這兩個數據是不是至少有一個錯了?

需要明確的是,不論是138億年的宇宙年齡,還是465億光年的可觀測宇宙半徑,都是天文學家經過大量天文觀測得到的結論,並在科學界得到了廣泛的共識。宇宙的可觀測半徑之所以超過138億光年,是因為宇宙空間膨脹的原因。試想一下,在一個洞穴口有很多螞蟻,某一時刻這些螞蟻以速率v各自向各個方向出發,經過時間t螞蟻到洞穴的距離就是vt。倘若螞蟻爬行的同時,地面也跟著膨脹,經過時間t後螞蟻到洞穴的距離就會超過vt。

宇宙可觀測的半徑超過138億光年就類似於螞蟻爬行時地面也跟著膨脹,宇宙膨脹是整個空間在膨脹,並非只是所謂的宇宙邊界在向外擴張。上世紀初,天文學家哈珀發現銀河系以外的星系大多存在著紅移現象,這說明這些星系在遠離我們而去,並且距離銀河系越遠的星系紅移現象越明顯。哈珀的發現是宇宙膨脹的有力證據。目前觀測到的哈珀常數為H=67.80±0.77km/s/Mpc,即距離每增加一百萬秒差距,退行速度增加67.80千米每秒。這樣距離我們足夠遠的位置,天體離我們遠去的速度就會超過光速。

宇宙膨脹速度超過光速並沒有違反相對論,這種膨脹並不能使能量或信息超過光速傳遞。相對論以及哈珀定律都是研究宇宙所需要的強有力工具。


刁博


的確,有質量的物體是不可能達到光速的

這個結論來自於愛因斯坦的相對論,其中的光速不變原理和相對性原理結合得出的質量效應公式從數學上也說明了這一點:


其中m為物體的質量,m0為物體的靜質量,V為物體的運動速度,C為光速,從式中可以看出:當m0≠0,V→C時,分母根式→0,則m→+∞。也就是說,如果物體速度達到光速,其質量會變為無窮大,如果宇宙是有限的,那麼全宇宙的能量都用來推動這個物體也不夠,因而靜質量不為0的物體是不可能達到光速的。

那麼靜質量為0的物體可不可以達到光速,甚至超過光速?

答案是肯定的,比如說光子靜質量為0,它的速度就可以達到光速。再比如題目所說的宇宙空間,它也沒有靜質量(即m0=0),如果它仍然適用質量效應公式,那麼我們把m0=0代入其中可知,無論空間以何種速度運動(哪怕是等於光速或者大於光速),它的質量m始終為0,理論上可以不需要能量來維持它的速度,因而可以輕而易舉超過光速。但據哈勃定律和實際觀察可知,空間的運動是複雜的,運動的速度也是變化的。空間的運動,準確地說應該叫作“膨脹”,這個膨脹是從一點(比如說奇點)向周圍的膨脹,



是任意兩點之間相互遠離的膨脹。相互距離越遠的兩點,其相互遠離的速度越大,這就像我們吹氣球,氣球上的每一點都在遠離其他所有點,且離的越遠的,遠離速度越大。

這充分說明了宇宙空間在膨脹,且還是加速膨脹,越來越快。加速膨脹(運動)就需要能量,這個能量就是我們常說的暗能量,它不同於普通的能量,它具有斥力作用。

目前人們對暗能量的認識還很膚淺,今天我們也是淺嘗輒止,不作深入的探討。

宇宙膨脹的實質是空間的膨脹,那空間膨脹的實質是什麼?它通過什麼來體現?

宇宙的膨脹說到底就是空間的膨脹,但與其說是空間在膨脹,不如說膨脹產生空間;與其說空間是在運動,不如說空間是在從無到有的產生增加,這種產生增加是每一點向周圍的擴散,是全空間每一點都在產生增加新的空間去填充“無”,因此這種膨脹不同於個體單獨的運動,而是一種全體空間擴散的積累效應。這種膨脹運動沒有什麼移動速度可言,因為這不是常規意義上的個體運動,可以說空間根本就沒有移動(因為平常所說的運動是以空間作參考背景的,而空間自身的運動卻沒有任何背景,沒有背景,怎麼能說它運動?),沒有移動,哪來的速度?

但空間中的物質隨著空間的膨脹而運動(因為物質處於空間中,空間既是物質的存在方式,又是物質的存在背景和處所),表現在宏觀大尺度上,這些物質(比如星系)在相互遠離退行。因此宇宙空間膨脹速度實際上是通過星系相互遠離退行的速度來表現的,宇宙膨脹速度說的就是星系退行的速度,當然星系相互退行遠離的“推動力”就是空間膨脹。

那星系退行的速度是怎麼超光速的?

正如上面所說,空間膨脹不同於個體單獨的運動,它是一種全體空間每一點都在擴散的積累結果,所謂的超光速就是積累出來的。因此空間中的星系相互遠離的速度也是一種積累。

對於相鄰較近的兩個星系互相遠離的速度是很小的,小的可以忽略不計,有時甚至空間膨脹引起的星系退行速度要小於星系自身在空間中的運動速度。比如說仙女座星系和我們的銀河系不但不相互遠離,反而正在相互靠近,據美國宇航局科學家研究預測兩個星系將會在37.5億年後相撞




(仙女座星系和銀河系相距雖然有250萬光年,但對於大尺度的宇宙來說,這個距離實在是太短了。根據哈勃常數最新數據73.52千米/秒/百萬秒差距,星系之間距離每增加326萬光年,星系相互退行的速度就增加73.52千米/秒。這樣算下來,仙女座星系和銀河系因空間膨脹引起的相互退行速度僅為250x73.52/326≈57千米/秒,可實際上目前仙女座星系相對我們正以110千米/秒的速度向我們銀河系靠近,這說明它們在空間相向自由運動的相對速度應為57+110≈170千米/秒左右)。

可對於相距較遠的星系,它們相互退行遠離的速度是非常大的,經計算,大約相距133億光年的星系相互遠離退行的速度就達到光速了。拿我們地球來說,距地133億光年外的星系退行的速度是大於光速的,當然我們地球退行的速度對於133億光年外的星系來說同樣也是超光速的。可同樣還是我們地球,對於250萬光年外的仙女座星系來說,我們地球的退行速度僅為57千米/秒。這說明星系的退行速度完全是積累疊加的效應和結果,遙遠星系擁有的很大(甚至超光速)的退行速度,完全是由一個個相對於鄰近星系那很小很小的退行速度一點一點累加起來的。

當然每個星系退行的速度是個相對的量,不是一個相對於絕對靜止參考系的絕對速度(宇宙中是不存在絕對靜止的東西的),而有質量物體(星系)的相對速度的上限仍然是光速,因而不會真地存在以絕對超光速退行的星系,即使積累疊加也不行。

如果非要說宇宙超光速膨脹,那應該將其解釋為空間層面的東西。

正如上面所說,空間是物體運動的場所和參考背景,這也包括光子的運動,因為光速再快也是在空間的運動,它跑不出空間去。光速限制原理只能管實體物質的運動規律,而管不了運動的場所和背景――空間本身;光速限制原理限制的是能量和信息的傳遞,並不限制不傳遞信息和能量的運動,空間的膨脹並沒有信息和能量的傳遞;光速限制是具有靜質量物體跳出時空的界限,並不是時空本身的界限。因此基於光速不變原理和相對性原理基礎創立的狹義相對論並不用於描述空間自身,狹義相對論中的速度疊加公式也不會適用於空間本身的運動,因為這個公式不允許疊加後超過光速,而空間的運動最起碼可以疊加到超過光速。

小結

有質量物體的確不可能達到光速,這有光速限制原理管著;而宇宙空間膨脹可以超過光速,也確實超過光速,這是因為光速限制原理管不著空間本身,因此兩者並不矛盾。


物原愛牛毛1


如果愛因斯坦還活著,我想當面問他一個問題,空間膨脹了,這個空間不屬於物質,你怎麼定意這個空間??氣球上的線遠離了,氣球膨脹了,氣球是不是屬於物質??地面膨脹了,螞蟻遠離了,地面屬不屬於物質??沒有物質參予的空間膨脹有何意義??空間??搞笑了,你定意這個概念是不是想自圓光速最大理論的正確性??光速不變就像是哥白尼的地心說一樣經不起任何推敲,遲早要被推翻的。當光速被超越,我們回過頭來看看會想到以前的想法多麼可笑,光速和音速一樣不過是一個速度而已,沒有什麼是不可能超越的,不過和音障一樣光障更強大,突破這個速度比音爆更加炫麗而已,我們不要太想當然了!!


邢斂鋒


【回答:一丁點都不矛盾】

愛因斯坦,是離我們現今時間最近的偉大科學家,沒有之一。

物質世界中的物質,廣義上的概念,是我們可以眼睛看得見,手能摸得到,有質量的物體。愛因斯坦說,有質量的物體不可能達到光速,這是愛因斯坦的科學推論。

其實,老祖宗早在幾千年前,就已經告訴我們,這個道理了。

組成世界的物質,老子起的名字,叫做三元。三元不是物質的,大白話說就是看不見也 摸不到。那麼,如何最終形成了我們現在所在的物質世界?

能量的下降。

能量下降後,“物化”形成了我們今天看得見、摸得著的物質世界。

好了,反過來。

當我們看得見、摸得著的物質,超過了光速,是什麼?

對!是三元。只不過,物質變成了非物質。

讀者不知道有沒有悟出一個道理?

對了,所謂的肉身成仙,就是胡說八道!當我們不存在於物質世界的時候,就是非物質的!

宇宙的膨脹,膨脹到了頂點,然後回縮,這叫什麼?這叫宇宙的規律。誰可以改變嗎?

沒有。那麼,宇宙膨脹的速度,超過了光速,是什麼可以超過了光速,是三元。

現在,讀者可明白了?


老祖宗的智慧


兩個悖論!

狹相一一車輪悖論! 比如說,大地上跑著一列火車。火車(設為A慣性系)、大地(設為B慣性系)。再假設火車速度為0.5C(C為光速,C=300000000m/s)。火車每個車輪周長為1.5m。火車上有一個10ns(納秒)鍾,每10ns,該鐘指針轉一圈。 如按牛頓力學:無論對於A系(火車)或B系(大地):每過10ns,鍾(指針)與車輪都同轉一圈,按車輪周長算:火車向前行走1.5m。也就是火車速度都是0.5C,無問題。 可是,假如按照狹義相對論,對A系觀察者速度無問題(V=0.5C),而對B系觀察者:按照相對時間公式計算,對於B系(大地)觀察者:自己時間每過11.547ns,火車上的鐘(指針)與車輪才能轉一圈(對B系觀察者:A系時間慢,A系鍾只能走10ns),由於實際車輪1.5m的周長限制,火車在11.547ns(B系時間)時間內,最多走1.5m。而1.5m除以11.547ns,這速度不等於而是小於0.5C(1.5m/10ns=0.5C)了,速度對不上帳了!這就等於對狹相公式構成悖論!

總結:狹義相對論說,對於B系(大地)觀察者來說,對方(A系)的時間慢了,既A繫上的10納秒鐘(指針)與車輪都轉的慢了,導致對於B系觀察者,火車速度與原假設的0.5C速度對不上賬了。可由此判定:狹義相對論錯誤!

注:

1、按狹相,對於觀察者來講算速度,要用各自的靜長度和本徵時!如對大地上的觀察者,光在大地上每秒走30萬公里;而對火車上的觀察者,光在火車上每秒走30萬公里!各自用靜長度和本徵時,算速度!這裡的靜長,指觀察者其自己所在慣性系的空間長度!

2、如果換低速問題一樣存在,只是速度差的小而已!

廣相一一高山悖論!

設:在淨高為3000米的高山上,修一個恆溫恆壓室,一個風扇在該室內。在山腳下修一個大型恆溫恆壓車間,發電機在該車間裡發電。可用超導電纜(現在已有生產的了)連接發電機與風扇。恆溫恆壓室、恆溫恆壓車間、超導電纜所用電能由其他電源提供!該發電機發出的電能,帶動風扇不停的轉動。為了簡化分析,假設電路工作在串聯諧振條件下。

根據電工學:

Pt(風扇消耗)+Pt(線路損耗)=Pt(發電機發出),t(時間)必須相等,否則公式不成立!

可以把線損電阻看成負載的一部分:

T(P1+P2)=TP3

說明,P1為風扇功率,P2為線損功率,P3為發電機輸出功率!串聯迴路,電流相同,輸出電壓=含線路電阻的負載電壓,等號兩邊功率必然相等(P=UI)!這樣時間也必須相等,否則公式不成立!

T(P1+P2)=TP3,公式可以分開寫:TP1+TP2=TP3,各時間差也必須相等!

按照廣相,發電機(低海拔)時間慢,電風扇(高海撥)時間快,那麼上述公式就不成立了!所以說廣相違背了電能公式!電能公式是應用公式,這樣錯的只能是廣相!

注:

1、電流:是指單位時間內通過導線某一截面的電荷量。如果高、低處時間不等,豈不違反串聯電路,電流相同的原則。

2、基爾霍夫第一定律,流入某一網絡(或節點)的電流和,等於流出該網絡(或節點)的電流和!

3、電風扇也可換為發熱純電阻或電燈。

4、發電機、風扇的位置也可以互換分析!


香菸飄渺35


目前被主流科學認可的超光速事實有兩個:第一個就是本問題中所說的宇宙膨脹超光速;第二個就是量子力學裡提出的量子糾纏現象是超光速的,並且被認為是瞬時完成的


那麼有人可能就會比較迷惑,愛因斯坦的相對論不允許超光速的存在,那麼這兩個例子豈不是推翻了愛因斯坦的相對論?實際上並非如此,看問題要細緻從本質上來看。愛因斯坦的理論不允許超光速,可以準確的總結為以下兩點:

  1. 任何有靜止質量的物體達不到光速,理論上只能無限接近於光速。最簡單的例如光子是沒有靜止質量的,光子的速度即是光速;
  2. 信息的傳遞速度不允許超光速, 現代信息交流最快的就是光速,電磁波實現相互之間的交流嗎!而量子糾纏恰恰是不傳遞信息的,因此超光速和愛因斯坦的理論不矛盾。現在發展的量子通信本質上是對信息的加密,並非是運用量子糾纏的實現通信目的。

而本問題中所說的宇宙膨脹本質上來說,膨脹的也是空間並非是實際物質,因此也並不違反愛因斯坦光速限制。按照哈勃定律距離我們越遠的星系退行速度就越快,目前已知距離我們最遠的星系退行速度已經達到三倍光速,當然了更準確的來說是空間的膨脹速度。


這也意味著距離我們最遠的星系我們永遠都看不到它的星光,並且隨著時間的推移宇宙膨脹速度會越來越快。由於暗能量的存在宇宙的膨脹已經開始加速膨脹,並且速度會越來越快。



科學黑洞


愛因斯坦相對論中,不能達到光速需要前提條件。遙遠星系遠離的速度超過光速,甚至水杯中都會發生超光速的事兒,但它們都不違背愛因斯坦的相對論。

愛因斯坦的光速極限

相對論中,超光速的概念可以這麼來定義:

所有原本速度低於真空中光速的物質,它的速度都不可能達到真空光速。

這其中有三個條件需要注意,一是“物質”,它指的是宇宙中的物質,時間與空間等不在其內;二是“原本速度低於光速”,那些原本速度比光速還快的物質不在討論範圍;第三是真空光速,光速在不同的介質中傳播速度不同,只有在真空中它的速度才是一個恆定值——299792458米每秒。

超光速的情況

至少以下三種情況會發生超光速的現象。

  • 宇宙膨脹導致遙遠星系之間相互遠離的速度超過光速。宇宙的膨脹實際上是空間的膨脹造成的,空間不是物質,它不受相對論的限制。星系運動沒有超光速,只是星際之間的空間膨脹了,它們相互遠離的速度才超過了光速,這不違背相對論。

  • 在水中,電子的運動速度可能會超過光速。光在水中的速度會大幅下降,只有真空光速的75%,當其速度變慢時,就變得可以超越了。有時中微子會與水中的原子發生碰撞,產生在水中移動速度比光速快的電子,這種現象叫切連科夫輻射。
  • 當某物質原本的速度就大於光速時。科學家定義了快子的概念,它指的是速度大於真空光速的粒子。快子的特點是無論如何減速,速度也不可能低於光速。目前科學家沒有發現快子,它只是在理論上被預言的一種粒子,但是快子超過光速也不違背相對論。

結語

宇宙膨脹是美國天文學家哈勃發現的,當時愛因斯坦還是一個靜態宇宙論的支持者。所以,題主的問題有些毛病,提出宇宙膨脹超光速的應當是哈勃。光速並非不可超越,但違背相對論的超光速現象目前還沒有被發現。

2011年,歐洲的科學家曾經犯了一個錯誤,把中微子的速度計算錯了,誤認為中微子超越了光速,後來才發現那只是個烏龍。如果中微子真的超了光速,那麼相對論就真的要被改寫了。


瘋狂知識點


宇宙大爆炸學說是不是真的還有一說,宇宙膨脹的速度超過光速就更沒有道理了。如果宇宙膨脹的速度超過光速,應該在宇宙的任何部分都是一樣的,那麼,地球和太陽之間,或者太陽系和其它的恆星系之間相互之間逃離的速度也應該超過光速,是這樣的嗎?意大利理論物理學家卡洛.羅韋利先生是愛因斯坦的忠實信徒,他不光相信宇宙是可以膨脹的,他還相信宇宙是可以收縮的,他還相信空間會像海平面一樣起伏。宇宙膨脹能夠引起那麼多有規律的運動嗎?比如行星圍繞太陽轉,太陽系圍繞銀河系轉……有人根據宇宙膨脹速度超過光速推斷,現在,宇宙的可觀測半徑為465億光年,宇宙大爆炸產生於138.2億年前的一次奇點大爆炸。我不知道提出這個觀點的人怎麼自圓其說:如果宇宙可觀測半徑為465億光年,那麼,從465億光年外發出的光要465億年才能夠到達地球(即使是用最大的天文望遠鏡),那時候,宇宙還沒有誕生,光是誰發出的呢?所以,要麼宇宙不是誕生於138.2億年前的一次奇點大爆炸,要麼宇宙的可觀測半徑沒有465億光年。很淺顯的道理,況且,任何超過光速的運動都是我們用肉眼或者天文望遠鏡看不見的,持這種理論的人,請問,你們是怎樣看見的呢?


才一斗


我們都知道宇宙間最快的速度就是光子運動的速度,也就是光速,光速有多快呢?光在真空中沿直線傳播的速度為30萬公里每秒,這個速度意味著如果光可以走曲線的話,那麼它可以在一秒鐘的時間裡圍繞地球的赤道運行七週左右。

一百多年前,偉大的科學家愛因斯坦提出了著名的相對論,而相對論的一個重要基礎就是光速不變假設,如果光速不變不能成立的話,那麼整個相對論的大廈就會轟然崩塌。現在已經論證了,光速不變原理是正確的,而除了光速不變原理之外,通過相對論還可以推導出一個重要的結論,那就是宇宙間光速最快理論,這個理論認為,宇宙間信息傳遞最快的速度就是光速,不可能有物體運動的速度超越光速,如果有的話那麼就是違背相對論,反之,也就是證明了相對論是錯誤的。



那麼宇宙間就真的沒有速度超越光速嗎?答案是否定的,舉一個例子,宇宙膨脹的速度就超越了光速,但是這卻並沒有違背相對論。為了瞭解實際情況,我們先來簡單瞭解一下什麼是宇宙膨脹理論,宇宙膨脹理論認為,我們的宇宙最初是一個密度無限大,體積無限小的奇點,而在138億年前的某一瞬間,這個奇點突然發生熱爆炸,隨後其體積不斷膨脹,體積越來越大,生成的物質也越來越多,最終形成了我們今天的宇宙。

而宇宙膨脹直到今天還在繼續著,而且還會繼續存在很多年,多年以前,科學家就已經發現,宇宙膨脹額速度在一定範圍內已經超越了光速。說到這裡可能很多朋友會有疑問,那就是前面不是已經說過了光速才是全宇宙間最快的速度嘛,那麼為什麼這裡出現了宇宙膨脹的速度超越了光速呢?這難道不違背相對論嗎?



其實不然,宇宙膨脹速度其實跟一般物體運動的速度是不同的概念,簡單來說,宇宙膨脹的速度不會帶來任何的信息傳遞,不會像光的傳遞一樣向遙遠空間傳遞信息。打個比方,宇宙的膨脹就好比是什麼呢?用烤麵包來舉例子吧,一個剛做好的麵包塊(生的),上面均勻撒滿了葡萄乾,然後把這個麵包放進烤箱裡面烤,假設麵包各個方向的膨脹率是一樣的,那麼相同時間裡面,距離近的兩個葡萄乾之間相互遠離的速度比不上距離遠的兩個葡萄乾相互遠離的速度。同樣的道理,宇宙的膨脹也是一樣的,距離越遠的兩個參考物,相互離開的速度越大,表現為宇宙膨脹的速度越大。實際上,宇宙的年齡只有138億歲,而宇宙的實際半徑可能超過430億光年,所以說,宇宙膨脹的速度超越光速沒什麼問題。


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