宇宙並不存在超光速膨脹,那只是一種錯覺!

上世紀初,愛因斯坦在寫相對論時,就曾預測到宇宙是不停膨脹的,到1929年哈勃發表哈勃定律(河外星系的視向退行速度和與地球的距離成正比),再到如今我們通過精密的太空望遠鏡反覆觀測校正,我們可以確定的一件事是,宇宙正在無時無刻的膨脹著,宇宙中的星系都在彼此遠離,且距離我們非常遙遠的一些星系,遠離我們的速度,已經超過了光速。那宇宙到底是如何膨脹的?為什麼宇宙超光速膨脹並不違背相對論對於光速無法超越的描述?為什麼宇宙在超光速膨脹,而我們看到太陽,月亮,星星都還在原地?還是說這一切其實都是一種假象,宇宙並不存在超光速膨脹?

宇宙並不存在超光速膨脹,那只是一種錯覺!

在談到宇宙膨脹時,我們不可避免的會想到宇宙大爆炸理論,而正是“爆炸”這個詞,讓我們對宇宙真實的膨脹過程產生了一些錯誤的直覺。現實中的爆炸,像炸彈一樣,是以一個點為中心,向周圍輻射,這個爆炸有且僅有一箇中心點;而宇宙的膨脹,則是以宇宙中任何一點為中心看都具有各向同性的暴漲過程,所以此“爆炸”非彼“爆炸”。為了說明這個觀點,我們引入一個模型,一根“橡皮筋”,橡皮筋的拉伸過程,跟宇宙的膨脹過程,從形態上來說是一樣的,只不過一個是二維的線段,一個是三維的空間。下圖中的黑線,代表橡皮筋,A點代表地球,B,B1等分別代表與地球距離相等,方向相對的N個星系。在地球這個參照系中,我們是靜止的,既A點是靜止的,那麼現在宇宙開始膨脹,橡皮筋開始拉伸,在地球上既A點我們會看到B,B1以相同的速度遠離我們。

宇宙並不存在超光速膨脹,那只是一種錯覺!

在橡皮筋拉伸的過程中,假設B遠離我們A的速度是V,那麼從B點看,C點遠離B的速度也是V,那麼C點遠離我們A點的速度就是2V,D點遠離我們的速度就是3V,以此類推……

宇宙並不存在超光速膨脹,那只是一種錯覺!

那麼如果這根橡皮筋足夠長,在一個離A點足夠遠的U點,它遠離A的速度,就會超過光速。

宇宙並不存在超光速膨脹,那只是一種錯覺!

而重點是,在這根橡皮筋上(如下圖),我們無論從A點去觀察,還是從B點,C點等等其他任何一點去觀察,橡皮筋的拉伸速率都是一模一樣的,從D1點看相鄰的C1和F1同樣是以速度V遠離它,B1則以速度2V遠離它,跟在A點看其它點的情況完全相同。宇宙跟橡皮筋拉伸的模型是一樣的,只是一個在三維上膨脹,一個在二維上膨脹,因此我們的宇宙膨脹並沒有中心,從所有觀察者眼中看去,宇宙都是以觀察者本人為中心膨脹。也就是說任何一點都可以是宇宙膨脹的中心,你在哪個點,哪個點看上去就是中心。

宇宙並不存在超光速膨脹,那只是一種錯覺!

而同時,我們也發現,雖然從地球這個參照系看,U在以超光速遠離我們,但如果我們把參照系換到U去,那麼U卻是靜止的,而與它鄰近的點,一樣以速度V在遠離它,因此何來的超光速呢?實際上並沒有物體在做超光速運動不是嗎?與其說宇宙在超光速膨脹,不如說是我們以地球為參照系,而由於宇宙空間膨脹而產生出來的“錯覺”,實際上,並沒有物體在以超光速移動。所以這並不違背愛因斯坦的相對論。

宇宙並不存在超光速膨脹,那只是一種錯覺!

在U點之外,物質都以超光速在遠離我們,而相對論告訴我們任何信息的傳遞速度都不能大於光速,那麼是否意味著,U和U1之外的宇宙,將永遠處於我們的“盲區”呢?答案是否定的。舉一個經典的螞蟻爬橡皮筋的例子,我們假設有一根橡皮筋,長1000米;有一隻螞蟻,在橡皮筋的一端向另一端以每小時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,問螞蟻是否能在有限長的時間裡爬到另一端?直覺會告訴你一定爬不到,橡皮筋拉伸的速度,比螞蟻移動的速度還要快100倍,怎麼可能爬到!但實際上,通過數學運算,我們得到的結果是,螞蟻經過2.68*10^44小時後,就能爬到橡皮筋的另一端了!為什麼呢?因為別忘記了,螞蟻已經爬過的橡皮筋,也一樣在拉伸啊!這與光在宇宙中的傳遞是一樣的道理,雖然有些星系已經在以超光速遠離我們,但他們發出的光線在在未來是有可能被在地球上的我們所觀測到的。

宇宙並不存在超光速膨脹,那只是一種錯覺!

而“可觀測宇宙”這個名詞的意思意味著它不是依賴於現代技術的探測能力,它僅僅代表著理論上光線或是其他信號從物體到達我們地球觀測者的可能。而以宇宙微波背景輻射為原始依據,我們推測出這個範圍的半徑是460億光年,也就是說以目前的理論基礎,460億光年半徑的球體內的光線或信息在理論上是可以被地球觀測到的,而這就是我們的可觀測宇宙。而隨著我們技術的進步,如果在今後我們可以觀測到“中子背景”或者更深的“引力波”,那麼我們可能得到比現在的可觀測宇宙更遠的距離,科學家認為,將來我們的可觀測宇宙,可以達到最大半徑620億光年的範圍。

宇宙並不存在超光速膨脹,那只是一種錯覺!

最後一個問題,宇宙在不斷膨脹,星系之間在互相遠離,距離我們很遠的星系遠離我們的速度甚至超過了光速,那麼,為什麼我們銀河系還會與仙女系相撞?為什麼我們的地球,太陽,月亮還維持著原來的位置,為什麼整個太陽系,還沒有飛到銀河系外面去?答案是:引力!宇宙膨脹的初始速度,加上暗能量對宇宙膨脹的加速度,向所有星系星體施加了一個向外膨脹的力,而星系與星系之間,星體與星體之間的引力,則向所有星系星體施加了一個向內收縮的力。於是這兩個力就在宇宙中展開了一場恢弘的拔河比賽。引力大於膨脹力則彼此靠近,膨脹力大於引力,則彼此遠離。而現在的宇宙形態,就是這兩個力長期制衡之後的結果。

宇宙並不存在超光速膨脹,那只是一種錯覺!

根據橡皮筋的模型,我們可以知道,宇宙間兩個星體越是靠近,則他們本身互相遠離的速度就越小,因此需要與之抗衡的引力也就越小。就地球和月球,太陽等星體的距離來看,它們之間的萬有引力顯然已經足夠將它們牢牢的“固定”在太陽系中。而銀河系對於太陽系的引力,也將太陽系牢牢的“固定”在了銀河系中。我們可以想象一張狂風中的蜘蛛網,吹動的風,就是宇宙膨脹的張力,而蜘蛛絲,則是星體間的引力。引力不夠的物質就會被風吹散,而引力足夠的物質,就會被牢牢粘在這張網上。地球,月亮,太陽,銀河系彼此之間的引力,使得他們能夠處於一個持續穩定的距離之中。因此我們肉眼看月亮,星星,太陽的位置,並沒有變化。

宇宙並不存在超光速膨脹,那只是一種錯覺!

根據科學家們的觀測,我們的宇宙不僅在膨脹,而且是在加速膨脹中,而非常奇怪的是,宇宙中又沒有一臺提供能量的馬達,那麼產生這些加速度的能量是哪裡來的呢?因為找不到這個能量的來源,因此科學家們只能把這些能量稱之為“暗能量”。而有趣的是,同時,又有一種不知來源的物質,在為宇宙間的星體提供著超出其本身質量的額外的引力,而科學家同樣也找不到這些引力的來源,所以稱這些引力的來源為“暗物質”。而暗能量和暗物質的總和,佔據了宇宙中所有物質總和95%以上的份額。看起來,決定宇宙中這場不知輸贏的拔河比賽的勝負雙方,盡然是我們連他們是什麼來自何方都不知道的兩種“隱性存在”。

宇宙並不存在超光速膨脹,那只是一種錯覺!

暗物質和暗能量之間的較量,決定了我們這個宇宙可能的最終結局,假如暗能量一直佔據上風,那麼它將無限加速我們的宇宙膨脹,直到所有星體都彼此遠離,之後星體自身也被撕裂,直至分子原子電子夸克,宇宙中最微小的粒子都將被撕裂。也就是宇宙大結局之一“宇宙大撕裂”。而假如最後暗物質(或科學家相信的物質質量暴漲)佔了上風,那麼宇宙在膨脹到一定程度後,將會開始收縮,所有的宇宙物質將最終被擠壓到一個奇點之內。或許還會再次發生宇宙大爆炸,誕生新的宇宙,也就是宇宙大結局之二:“宇宙大塌縮‘’。還有第三種結局:“熱寂”,跟宇宙膨脹沒什麼關係,順便說一下吧,是說宇宙的熵值達到極限時,所有的能量都會轉化為熱能,而宇宙中所有物質的溫度都達到一個熱平衡,然後宇宙就在這種半死不活的狀態中演變,至於怎麼演變,連熱寂都只是一種猜測,對於怎麼演變就更加撲朔迷離了,說法很多,且與今天主題無關,就不在此贅述了。

宇宙並不存在超光速膨脹,那只是一種錯覺!

宇宙的膨脹究竟會將宇宙引向何處,是由暗物質主宰的宇宙大撕裂,還是被引力主宰的宇宙大塌縮?科學家們爭論了幾十年,也沒有一個答案,而對於從宇宙大爆炸最初那一刻起,到第一個光子得以被釋放出來那一刻為止,這期間,宇宙處於完全的黑暗之中,這段時間宇宙到底發生過什麼,我們也一樣一無所知,所以宇宙來自哪裡,將去往何處?我們都沒有答案,或許這就是宇宙如此神祕,令人著迷的原因吧。

好了,今天的分享就到這裡,歡迎大家多多留言評論,還沒有關注小編的,記得點關注噢,小編專注解說天文人文科學小知識,每天更新。

本篇文章由小編自己【碧寒清】原創,轉載註明出處,謝謝!拒絕剽竊,發現必究!

相關推薦

推薦中...