光速也无法企及!宇宙正以超光速膨胀,最终会走向毁灭吗?

2022年10月17日12:34:28 科学 1903

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我们都知道,根据爱因斯坦的相对论学说,有质量的物体其运动速度,不可能超越光速。但是宇宙诞生138亿年以来,却正在以超光速急速膨胀!

而且宇宙中其他星系的推行速度,也比光速快得多,难道是相对论错了吗?还是,这根本就是一个悖论?

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宇宙超光速膨胀

现在较为主流的宇宙起源学说,是大爆炸理论。

2015年,科学家模拟了宇宙大爆炸和暴胀模型,并以普朗克卫星测定的,最精确的哈勃常数为参数值,推导出了宇宙的大致年龄,是137.87±0.02亿岁。

也就是说,假如大爆炸理论是真实的,那么从奇点一瞬间爆炸,宇宙万物诞生至今,应该有大约138亿年了。

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古人说“辩士论天,有头有脚”,可为什么放眼百亿光年外的宇宙,却根本看不到边际呢?

首先,我们来说说什么是光年。顾名思义,光年就是光前进一年的距离。

爱因斯坦在相对论中提到,以时间和空间为轴,任何物质穿越时空的合速度,都等于一个恒定的数值,那就是光速。

因为光子没有质量,所以如果光子以光速穿越时空,空间距离这个维度被拉满,则所用的时间为零。

因此任何物质在运动,或者传递信息的时候,都不能超越光速。光速是宇宙之中,一切物质运动的速度上限。

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正因光速的永恒性质,天文学家便选择以它为基石,用光年来衡量宇宙中天体间的距离。那么既然宇宙诞生了138亿年,以奇点为起点算起,光子应该也向外走出了138亿光年的距离。

那么宇宙的直径最多也只有276亿光年啊,为什么科学家推算出的宇宙直径,约为930亿光年呢?是科学家算错了,还是宇宙正以超光速向外膨胀?难道宇宙爆炸论有悖于公认的相对论吗?

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原来,人类之所以接受光速最快,是因为以此可以解释绝大多数物理现象。但是宇宙并不像我们想像的那样,是一个均匀的球体,而是一个类似于薄膜的结构。

其内部的物质存在,既不均衡也不平坦。

所以,不同于相对论在静止宇宙中的适用范围,在不断膨胀的弯曲荡漾的时空中,物体是有可能突破光速的!

做个形象的比喻吧,有人说天体都浮于宇宙表层,而宇宙内部力量就好像海浪,一波又一波地推动着,浮于水面的冲浪板前行。

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如此看来,对宇宙空间本身的膨胀而言,即便光速是相对论中的速度极限,似乎也不再那么难以逾越了。换句话说,这跟本就是两个不相交的概念,宇宙空间的超光速膨胀,并没有违反相对论。

至此,更为有趣的问题产生了,那就是宇宙为什么会以超光速膨胀,宇宙的扩张中心又在哪里?

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扩张中心在哪

都说宇宙处于膨胀当中,那它是如何膨胀的,膨胀中心又在哪儿呢?

根据宇宙大爆炸理论的前身——原生原子膨胀说,宇宙之初,存在于一个极小的空间内。

上世纪三十年代,射电天文学兴起。天文学家对银河系中的原始星云物质,和大爆炸的初态合成比例进行了对比,发现数据非常接近。

随后,还观测到了大爆炸产生的宇宙微波背景辐射。至此,大爆炸理论基本得到应证。

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而随着哈勃十多年的观测,遥远的宇宙正在快速离去的事实,也得到了证明,这便是著名的哈勃红移。

所谓红移现象,就是指星系或天体所发射出的光线的波长,因为不断地远离而拉伸变长,在我们看来就是红色的。

气球举例,当我们在气球表面标记不相邻的两点。

当气球膨胀,点与点的距离就会拉长,而实际每一个点相对于气球的位置却是不变的。而且这种远离,会随着距离的不断扩大而加速。这就是宇宙的加速膨胀!

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那宇宙扩张的中心点又在哪里呢?是大爆炸的奇点吗?

量子力学认为,奇点的所在,最初并不是在空无一物的空间中,所谓“真空”其实并不空,其中应该充满了无处不在的绝对粒子。

而宇宙最初没有空间,正是这种粒子的不断沸腾,才激发出了空间。随着时间的推移,空间结构不断增长和扩张,变得越来越大。

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值得注意的是,空间能以任意速度膨胀,因为空间既不是物质,也不是能量。

科学家观测得到的星系超光速退行行为,是由空间本身膨胀所导致的。所以膨胀并不局限于某一点,而是无处不在的。

在这里我们做个反向推导。如果膨胀中心是大爆炸发生的,空间中的某一个点,那么大爆炸所产生的宇宙背景辐射,也就是最早的光,应该出发于一点,而我们也只能看到从这个点,辐射而出的空间的光。

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但事实上,光无处不在。宇宙微波背景辐射在宇宙中,可以说是非常均匀的。

这也就表明,这些光,是从宇宙空间中的各个点辐射出来的。所以说,扩张的中心并不局限于一点,宇宙处处是膨胀中心。

当然还有一种可能,就是宇宙的中心,存在于某处弯曲时空的褶皱中,那将是我们不可见的更高维度。

以人类目前的理论深度和探测水平,尚且无法企及。既然找不到扩张中心,是不是意味着宇宙膨胀不可控呢?

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宇宙膨胀会停止吗

宇宙的终极未来,是加速膨胀至大撕裂,还是会戛然停止?

通过对GN-Z11星系,这个人类到目前为止,观测到的最遥远天体的观测,天文学家发现:这个早在宇宙诞生后4亿年内就形成的天体,如今已经膨胀到了300亿光年以外!

要知道,宇宙中天体的推行,并不是真正的相互飞离。

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膨胀的只有空间本身!每一个天体在空间中的位置,其实都是相对固定的。

所以根据宇宙红移值可以判断,宇宙是以超光速加速膨胀的!而且宇宙并不是整体的超光速膨胀,只是存在于宇宙的边缘区域。

用洗衣机甩干桶来类比,比较好理解。处于距离甩干桶运动轨迹的中心圆靠外的分子,会因转动半径的加大,而做加速度运动,水分子从而也最先被甩出去。

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那宇宙是从什么位置开始超越第一宇宙速度,开始以超光速膨胀的呢?

科学家根据哈勃常数,测算了目前138亿光年的地方的膨胀速度。为284,254.6千米/秒,略慢于光速。

据此推算,现代宇宙应该是在大约145亿光年外,开始膨胀超过光速的!而且早在1998年,就有两个科学团队发现,从时间点上看,如今的宇宙早在45亿年前就开始了加速膨胀。

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据推测,在暴涨时期,宇宙的膨胀速度,可以在一瞬间就膨胀10ˆ26倍,实在是不可思议!所以宇宙的膨胀速度,是几何数量级的上升。

如此看来,经过138亿年膨胀至920亿光年,也就见怪不怪了!那宇宙将来会不断扩张下去吗?

有人猜测宇宙会像气球一样,膨胀到极限发生大撕裂,还有人认为,根据爱因斯坦著名的方程,E = MC^2可知:重量和能量是可以相互转换的。

所以宇宙的膨胀是有限的,可能在未来的某一天,宇宙将会停止膨胀。

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如果宇宙是“封闭“形状的,代入相关计算可知:当宇宙剩余质量等于宇宙损失质量,等于宇宙的总质量的二分之一时,宇宙的空间半径达到最大值。

届时宇宙将停止变化,原地塌缩走向灭亡,从而开启新的宇宙周期。

不过宇宙究竟会如何结束,我们人类是实在等不到那一天了。

只盼望人类能有一天突破现有的局限,设法超越光速,造出机器猫的时光机。因为我想回到过去,去看一看小时候的自己。

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