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


【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


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


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


我說點不一樣的理解。

愛因斯坦說的有質量的物體不可能超過光速,指的是一切宏觀信息無法超過光速傳播;而“宇宙膨脹”膨脹的是真空,而真空是一片量子海洋,所以這種膨脹應該是一種宏觀世界中的量子效應。

所以量子物理學家一直認為真空具有能量,稱為真空能。真空能也一度被認為就是暗能量,只可惜由量子場論估算出來的真空密度為2×10^103J/cm^3,但天文學家測量到的真空能量密度僅為2×10^(-17)J/cm^3。它們之間相差120個數量級(10^120)。

這成了前沿物理的一大未解謎題。

我大膽給出一個推測。兩種計算結論的巨大差距,源於數學體系本身的侷限,這兩套數學體系只能給出代表宏觀觀測與微觀推測的兩個極值,而要得出正確值需要一個能融合這兩套體系的全新數學體系。

真空既然是一片量子海洋,則可以看成是一種無數量子態的集合。它勢必也會由於“觀測”而坍縮為宏觀態,這裡的“觀測”指的是宏觀物質的干涉。

真空中的宏觀物質是什麼?當然是宇宙汪洋中的滿天星辰。因此靠近天體以及星際物質的真空中,量子會發生坍縮,導致真空能大幅減弱,而遠離星辰的空曠星際間真空能會大幅增加。

這也說明了,為什麼離我們越遠的星系,遠離我們的速度越快,甚至導致了超光速的宇宙膨脹。

結論就是:

1、越空曠的宇宙區域真空能越強,星系越密集的區域真空能越弱。也就是說宇宙中真空能(暗能量)並非完全均勻不變。

2、真空能是一種比引力更弱,但一樣可疊加的虛空斥力。

當然需要印證這些,需要數學公式的支撐,這裡只是描繪一個可能的物理圖景而已。

再來說說,宏觀物質為啥不能超過光速?

這一切的推導源於“光速不變”。“光速不變”是愛因斯坦提出來的,但卻是麥克斯韋推導出來的,雖然小麥自己也不太願意相信。

在麥克斯韋的電磁理論中,電磁波的速度只與兩個常數相關,即與真空介電常數ε0和真空磁導率μ0相關,表達式為C^2=1/ε0μ0。

就註定了電磁波速度是恆定的,也就是我們說的“光速不變”。

但我們知道光也具有量子屬性,而我們能測得的光速,就應該是一種光量子坍縮為波之後的速度,因為量子不可測。所以光波速度是一種宏觀速度,與光量子的速度無關。當然我們也並不知道光量子有沒速度可言?

再進一步說,如果光速是光量子坍縮後的一種宏觀速度,而在相對論體系下光速與“時空”概念息息相關,那所謂的“時空”也就是一種宏觀概念,所以才存在普朗克尺度下的時空不存在是說法,因為普朗克尺度下是微觀概念。

因此微觀無“時空”。

這樣所有的奇特的量子效應,也就能說的通了。雙縫干涉為何如此詭異,因為量子們本來就不在“時空”裡運動嘛。

“時空”只是承載宏觀物質運動的背景。光速是在這個背景下沒有質量物體的極限速度,物質無法超越光速,是因為被“時空”拖累。

沒有質量的量子不受“時空”的拖累,所有才會有量子糾纏這種“超距作用”,我們常說量子糾纏不傳遞信息,準確地說應該是不傳遞宏觀信息。真正的微觀信息是不受“時空”的影響的,當然也是我們無法利用的。

總之,相對論是研究“時空”的宏觀規則,但宏觀並不代表宇宙的一切。宇宙膨脹就像一種超宏觀態的量子效應,這是不是很矛盾?

或許正因為矛盾,才有和諧的意義。

這個問題教科書式的回答,前面答主已經說的很多了,這裡僅為理論上的挖掘與探討,歡迎大家質疑。

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想法捕手


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


愛因斯坦關於光速不變原理,說的是真空環境下,對於有物質來說,光速是最大值。注意,這裡說的是物質而非其它概念。假如我們說的是非物質的東西,那麼它的速度是完全可以超過光速的。


比如我們的宇宙本身,他是時間、空間、物質等一切存在的集合體。那麼它自身的膨脹速度就可以大於光速,因為宇宙本身並不是物質,所以並不受光速限制。還有,我們也不能夠把相對論中光速最大值的限制原則亂用,比如有些“速度”,是明顯可以超過光速的,然而並不意味著相對論就是錯誤的,比如說計算機運行速度,可以甩開光速無數倍。


之所以很多人對於宇宙膨脹速度大於光速出現疑問,關鍵就是對於相對論和光速不變原理的不理解。把速度不能夠超過光速擴大了應用範圍,認為任何事件都速度都不能夠超過光速。再舉個例子,光在介質中速度會比真空中慢,通過一些手段我們甚至可以“凍住”光子,這時候光速就很慢。有些人就會說,不是說光速不變嗎?這裡怎麼變了?而且,“凍住”的光子,我們的速度都可以超過它。這些問題的出現,都是源於我們對相對論的不太理解。


還有量子糾纏,其速度也是瞬時完成的,比光速快的多。這時候也會有人問,不是說任何信息傳遞的速度不能夠超過光速嗎?。這個疑問,則源自於我們對於量子糾纏的不理解。量子糾纏本身並沒有信息傳遞,它生來就這這樣。所以,也不違反相對論。不過,不理解也情有可原,因為愛因斯坦當時也沒整明白,也誤以為量子糾纏超光速了。


科學探秘頻道


問,什麼是光。答,光是一種電滋波的能量形式。問,什麼是光速?答,能量在真空中傳播的速度。問,光速是多少?答,30萬公里/秒。問,什麼是光速不變原理?答,光速不變是指光子傳播的速度是絕對速度,不會受到物質相對運動的影響,因為光子沒有質量,在運動物體上發出的光不會產生慣性加速度。問,怎樣理解宇宙膨脹的速度遠超光速?答,宇宙膨脹速度是物質間相對運動的速度,與能量傳播的絕對速度不是一個概念,物質之間的相對速度是可以超過光速度。問,除了宇宙膨脹之外還有什麼速度現象超過光速嗎?答,理論上有很多物質之間的相對速度都會超過光速。宇宙膨脹是星系之間相互遠離的速度,宇宙中也必然存在兩個物體相互接近速度超過光速的現象。例如,銀河系與仙女星系相互高速接近的同時,可能還會相互彈出流浪恆星。有時被彈出的恆星速度可超過一半光速,那麼這兩顆恆星相互靠近的速度就會超過光速。問,如果這兩顆恆星以超光速的相對速度迎頭對撞會發生什麼情況?答,根據質能方程,兩顆恆星以超光速的相對速度迎頭對撞會產生一個新宇宙的能量,理論上會使現宇宙加速膨脹,銀河系與仙女星系或許瞬間被分開幾百億光年。問,這樣的話,質能守恆定律還成立嗎?答,宇宙是個生命體,物質一旦形成,它就在不斷長大,以至於我們根本無法看到物質世界的邊界。所以宇宙中的物質和能量是呈指數增漲的,不存在必須守恆的問題。


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