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爱因斯坦是否说过光速是不可超越的?那么宇宙是否在超光速膨胀呢?这怎么解释?

问:爱因斯坦是否说过光速是不可超越的?那么宇宙是否在超光速膨胀呢?这怎么解释?

准确来说,宇宙膨胀的速度曾经并且正在超光速,但是情况和大多数人其实想象得不太一样。

光速不变原理

首先,很多人可能会问,不是根据爱因斯坦的相对论,不可以超光速的么?可是,事实上,这是狭义相对论的基础假设:光速不变原理

通过推导,我们可以知道的是静止质量不为零的物质是不可能超过光速的,要让它们超光速需要无穷大的能量。而静止质量为零的,比如:光子,可以达到光速,但也无法超过光速。

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所以,光速不变原理其实是针对物质、信息、能量。

可问题是,宇宙空间既不是信息,也不是能量,更不是物质。所以,光速不变原理并不会对空间起作用。

知道了这一点,我们再来看看宇宙空间是如何超光速的,我们可以从宇宙大爆炸说起。

宇宙膨胀

我们都知道138.2亿年前有个奇点,这个奇点空间曲率无限大,温度无限高,密度无限大,体积无限小,然后这个奇点发生了大爆炸,在第一秒内出现了许多事。

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其中有一件事就叫做:暴胀

那什么是大暴胀呢?实际上,宇宙大爆炸之后,空间就一直在膨胀。

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而大暴胀就是极其快速的空间膨胀,具体的描述就是:

在宇宙大爆炸之后10^−36秒,宇宙空间呈现出了加速膨胀的过程,整个过程的时间只持续了10^−33至10^−32秒。在这期间宇宙空间发生了100倍的膨胀,也就是2^100 ,尺度变大为原来的10^30倍。

这种天文数字其实我们很难能够感受得到,我们可以举个例子,如果把那个时候的宇宙看得像一个沙子那么大,那它就是一下子膨胀到可观宇宙那么大(直径930亿光年),然后再把这个时期的宇宙看得像沙子那么大,再膨胀到可观宇宙那么大。

所以,这速度不是超过光速一点,两点,而是超出了比上万亿倍还要多。暴胀之后,宇宙继续膨胀,只是速度要慢得多。

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可能你要问,有没有证据呢?我们可以先从大爆炸说起,大爆炸的证据大概有三个,分别是:

哈勃观测到红移现象宇宙微波背景辐射氦元素的丰度

其中,哈勃观测的红移现象,是指星系正在退行。而宇宙微波背景辐射是宇宙大爆炸之后的余热宇宙中传播的证据,这是理论语言,并且实实在在找到的证据。通过大爆炸模型,科学家算出了宇宙大爆炸到至今,氢元素和氦元素的比例,并且通过观测,理论和实际观测相符。

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那暴胀理论呢?

关于暴胀理论也是有证据的,2014年3月17号,BICEP2科学家团队对外宣布了可能在B模功率谱中探测到了:大暴胀时期所产生的引力波。这个发现成为了证明暴胀理论最强烈的证据之一,也同时完善了标准宇宙学模型。不过,这个发现,目前多方科学机构还在确认当中,后续可能还会有变数。

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除此之外,科学家之所以承认“暴胀理论”,还有一个原因,那就是这个理论解决了宇宙大爆炸留下来的很多问题,这当中就包括了:

宇宙为什么在各个方向都显得相同?宇宙微波背景辐射为什么分布这么均匀?宇宙空间为什么那么平坦人类为什么观测不到磁单极子?

这些问题,暴胀理论都能很好地解释。除了暴胀理论,其实还有其他假说,但没有暴胀理论的证据充分,以及解决的问题多。

目前宇宙膨胀也超光速了

除了暴胀理论中,宇宙空间膨胀超过了光速之外,其实目前,我们的宇宙也在超光速膨胀。并且,还是加速膨胀。这是1998年,两个科研小组通过研究1a型超新星,独立发现了的结果。这种加速膨胀的情况,直接预示着宇宙存在着某种真空能,能够提供斥力,使得宇宙加速膨胀。

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后来,科学家将这种真空能命名为暗能量,暗能量占到了目前宇宙总量的70%。

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如果,以地球为参考系,利用宇宙模型,我们就可以算得出,星系退行的速度,也就是宇宙膨胀的速度,在大尺度上,超光速的现象比比皆是。由于篇幅关系,在这里就不进行运算了。

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最后,我们来总结一下,宇宙空间不会受到光速不变原理的限制,因为空间既不是物质,也不是能量,膨胀也不会传递信息。所以,宇宙空间膨胀是可以超光速的,在暴胀理论中,宇宙膨胀速度达到了光速的万亿倍以上,而如今的宇宙正在加速膨胀,也存在着超光速的现象。

优秀作者:yang