宇宙膨脹的速度大於光速,不是說有質量的物體不能超過光速嗎?

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同理,這個問題也是一樣的。首先我們知道宇宙在發生膨脹,距離我們越遠的天體,其膨脹的速度就越來越快,他展示的什麼的就是我們所說的紅移值也就會越來越大,通過多普勒頻移的現象,我們知道了紅移代表著遠離,藍移則代表著靠近。而目前哈伯特外界所觀測到的最遙遠的天體距離我們又是131億光年,以超新星爆發為數據。以哈勃的最遠觀測位數據,我們就能得出宇宙的膨脹速度,也就是哈勃常數。

不過值得一提的是,在我們宇宙早期的時候,曾經有過一段暴漲時期,其膨脹的速度為超光速。我們知道物質是沒有辦法達到光速的,當物質速度越來越快的時候,它承受的質量也就會越來越大,因此它所需要的能量也會越來越強。目前來看沒有任何能量能使物質達到光速,因此物質是無法超越光速的,那麼宇宙膨脹的超光速現象是如何解釋的呢?

簡單的說就是不屬於物質中的時空。我們知道時間和空間是為一體的,當時間發生變化,空間也自然而然會發生變化,當空間發生變化時間也會發生變化,而宇宙膨脹的是空間,目前以人類物理學的三維宇宙定義來看,在三維宇宙中空間是不屬於物質的,所以即使空間發生了超光速膨脹,它也不違背愛因斯坦的光速不變定律。

所以宇宙超光速是不違背當代物理學定義的,而且最重要的一點是,目前來看支持宇宙膨脹的暗能量佔據了宇宙總質量的70%,因此宇宙會一直的加速膨脹,這也就代表了宇宙永遠不可能有邊界,即使你以光速航行,你也永遠無法飛出宇宙,因為你在以光速行駛的時候,宇宙正在以超光速進行膨脹。光速的定義約為每秒鐘30萬千米,但是超光速卻沒有一個準確的數值。

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宇宙V空間


自然界是不連續的,存在著質的變化。創造並繼續影響著我們人類的宇宙,只是自然界的一部分,是一個相對獨立的封閉體系。

又由於普朗克常數h的普遍存在,以及所有的微觀粒子都具有波動性,說明我們的宇宙是由不可再分的最小粒子——量子構成的:

離散的基態量子構成空間,受到激發的量子成為光子,由高能量子組成的封閉體系就是物質。

於是,作為封閉體系的宇宙,存在著兩種不同的速度。其一是宇宙對外部空間的膨脹速度,其二是宇宙內部空間的傳播速度。這兩種速度是不同概念的速度,因而在兩者之間並沒有什麼必然的內在聯繫,進而也不存在相互的限制🚫。

宇宙對外部空間的膨脹與否以及膨脹速度的快慢,只取決於宇宙內外部空間能量密度即空間壓強的對比。具體而言,宇宙的膨脹表現為宇宙內部空間量子間距的增大。

而宇宙內部空間傳播的速度,則是光子維持其相對於空間勢能的速度,僅與宇宙內部量子空間的能量密度相關,兩者成反比關係。

於是,在宇宙膨脹之初,宇宙的膨脹速度遠大於宇宙內部的傳播速度。為了保持宇宙內部的平衡,部分局部高能量子被屏蔽起來,形成封閉體系,由能量轉變為質量。

然而,隨著宇宙的膨脹,宇宙內外部空間能量密度的比值以及宇宙內部空間的能量密度都將不斷地減小,從而使宇宙的膨脹速度小於光速。

於是,在我們的宇宙中,不僅終止了能量向物質的轉化,而且即便是已經生成的物質也會逐漸地解體,還原為能量,並最終迴歸為量子空間。


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光速不變原理與質能方程

實際上,不能超光速是針對於物質、信息、能量而言的,而不是針對於宇宙空間而言的。空間並非是物質、信息、能量。所以,空間並不會受到光速的限制,而且宇宙膨脹也並不傳遞任何信息。

那光速不變原理是咋來的呢?

簡單來說就是,牛頓和麥克斯韋的理論矛盾了,矛盾點在於參考系。

麥克斯韋方程推導出來的光速表達式是:1/ε0μ0,由於ε0是真空介電常數,μ是真空磁導率,這兩個數都是常數,也就是說,光速在任何慣性參考系下都是光速,這就和牛頓理論中運動的相對性產生了矛盾。科學家想了各種辦法來解決這個問題,最終都失敗了。

於是,愛因斯坦以“光速不變原理”和“相對性原理”為基礎提出了相對論。在這套理論當中,愛因斯坦統一了時間和空間,他認為:

時間和空間一起組成四維時空,構成宇宙的基本結構。

在狹義相對論的這套框架下,愛因斯坦得出了許多有意思的結論,比如:時間膨脹效應,尺縮效應等等。

也就是說,牛頓的體系下,人們認為運動對於時間和空間是沒有影響的。而愛因斯坦則認為:

運動其實會影響到時空。

這些內容是他在1905年上半年完成的一篇名為《論運動物體的電動力學》中提出來的。這一年愛因斯坦發表了四篇開創性的論文,這一年也被稱為愛因斯坦的奇蹟年。這篇文章則是第三篇。

之所以會有第四篇,就是愛因斯坦在發表完第三篇之後,突然意識到這個理論還可以同時統一“質量”和“能量”,於是,他在下半年又發表了一篇名為《物質的慣性同它所含的能量有關嗎?》。

在這篇文章中,愛因斯坦提出了大名鼎鼎的質能方程。

提出了:物質和能量等價,後來也被稱為:質能等價。質能等價的意思是說,質量和能量其實是一回事,質量中蘊含的能量可以通過質能方程表述出來。所以,所謂的“質量轉化為能量”的說法是不正確的,因為它們壓根就是一回事。通過這個理論,愛因斯坦預言了:

引力可以使光束髮生彎曲。

在傳統理論中,光是沒有質量的,但是愛因斯坦認為光是具有相對論質量(這是因為它具有動能,質能方程告訴我們,能量和質量是一回事,所有有動能就有質量),而實際觀測中,也確實發現了光線彎曲。

當然,光線彎曲的說法到了廣義相對論,又有一套新的表述形式。不過,這並不是這次文章要講的,就不贅述了。

那愛因斯坦為什麼能夠統一“質量”和“能量”呢?

這是因為,愛因斯坦通過推導,得出了運動物體的質量應該下面這樣的結果:

其中m0是靜質量,從這個表達式中,我們可以出這樣的結論:

靜止質量不為零的物體是不可能達到光速的,只能低於光速。
靜止質量為零才能達到光速,但並不能超過光速。

光其實就是靜止質量為零,所以光可以達到光速。(實際上,參與強相互作用的膠子也是,只不過由於夸克禁閉,我們還無法發現自由存在的膠子)

空間膨脹為何可以超光速?

而開頭我們也說到了,宇宙空間其實是沒有質量的,也不是能量,更不是信息。因此,它就沒有所謂的靜止質量,也不需要受到光速不變原理的限制。那事實上呢?

在宇宙大爆炸之初,第一秒內,宇宙膨脹就超過了光速。

這也被我們稱為大暴脹。大概是說,在短短的時間內,把當時的宇宙看成是一粒沙子,它一下子膨脹了到可觀測宇宙那麼大(直徑930億光年),然後在把可觀測宇宙看成像沙子那麼大,再膨脹到可觀測宇宙那麼大,一共加倍了100次,也就是2^100。這個過程是遠遠超過光速的。

其次,在距今46億年前,宇宙開始加速膨脹,而根據模型計算,以地球為參考系,宇宙很多地方膨脹的速度早就超過了光速。

這是1998年,兩個科學小組分別獨立觀測1a型超新星得到的結果,並且於2011年相關的負責人獲得了諾貝爾物理學獎。

這裡多說一句宇宙膨脹的特點,我們可以想象一下機場的直行電梯,宇宙的膨脹就好比,你是在中點,空間就好比在你周圍一圈都是遠離你的直行電梯,而各種天體就在直行電梯上,所以天體並沒有動,動的是直行電梯也就是空間而已,而這看起來就好像天體在動。所以,膨脹是整個宇宙等比例地在膨脹。

最後,我們來總結一下:

  1. 光速不變原理其實是牛頓理論和麥克斯韋方程出現矛盾之後,又無法調和的產物,也符合奧卡姆剃刀原理。它是用來限定物質、信息、能量的。
  2. 通過質能方程,我們可以知道靜止質量不為0的物體是沒辦法達到光速的,只有靜止質量為0,才能達到光速。
  3. 空間既不是物質,信息,也不是能量,不會受到光速不變原理的限制。

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宇宙膨脹速度大於光速指的是相對速度的概念,其最大值是2倍光速,即可視宇宙邊界彼此兩端的遠離速度,更大的速度已超出可視宇宙範圍,在現實世界中絕對不會出現,所以沒有意義。

而題中說的:有質量的物體不能超過光速指的是宇宙中的絕對速度,即物質在空間中,在單位時間內產生的位移量,參照物是空間本身。按照廣義相對論,有質量的物體不能超辻光速是沒有問題的。

那麼宇宙空間的膨脹速度如果用絕對速度來衡量,用空間為參照物來測量空間的變化?這個永遠沒法實測,只能用思想試驗了。即在時間軸上,每一個單位空間相對於時間軸上前一個單位空間的擴大量。這樣的空間膨脹速度會隨著單位空間的大小而變化。

空間膨脹有幾個特徵,一:在現實中空間膨脹可視為絕對零值,由於空間的不可直接觀測,它所產生的膨脹數值會疊加到物質的遠動速度上來(即空間膨脹推動),二:膨脹係數極其微弱,是宇宙中最慢的速度,因為在宇宙中所有的物質速度都疊加了空間的膨脹速度,無一例外,而且不論運動方向。三:空間膨脹的加速度是負值,至於天文觀測中看到的空間膨脹加速現象,那只是大尺度空間膨脹係數磊加的結果。


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這個問題的重點在於,同學們必須區分宇宙膨脹速度,以及有質量物體速度。這兩個都叫做速度,其實代表的含義根本毫不相干;適用的公式以及原理都不相同,所以千萬不要混淆來理解。

有質量物質的速度必然受制於相對論

我們平時說的速度,是指在一小段時間間隔中,一個物體相對於另一個物體(或某個參照系)運動了多少距離。

愛因斯坦的相對論表明,任何物體相對於其他物體(或某個參照系)的運動速度都不能超過光速。從以下公式我們可以看出:

△v=|v1-v2|/√(1-v1v2/c^2)

任何有靜止質量的物質速度,都不可能超過光速,必然受限於愛因斯坦的相對論。

宇宙誕生之初,暴漲速度必然超越光速

宇宙大爆炸理論中,基本粒子和高溫起源於一次爆發力更強、時間更短暫的加速膨脹過程——暴脹(inflation)。其實更準確的說法是——暴脹發生在大爆炸之前。暴脹發生在宇宙誕生後的10^(-35)秒至10^(-33)秒之間,在這段時間裡,整個宇宙的尺寸膨脹了10^26倍。這時候的宇宙空間的膨脹速度,遠超光速。最堅實的證據來源於宇宙微波背景的觀測:



可以這樣直接的理解,當一個手掌大小的空間一瞬間膨脹到銀河系直徑的100倍時,光連一個原子核的距離都未曾跑到。但上述微波背景的觀測結果,確切的告訴我們,這一切已經真實發生。

現階段宇宙膨脹速度也可能超越光速

宇宙膨脹,使得兩點互相退行,由於不是物質移動的結果,並不是真正的“速度”,只是空間隨著時間變化發生了膨脹。我們應該使用空間度規函數以及速度微分公式來求解:

當兩點距離在宇宙中距離足夠遠時,膨脹退行速度,將超過光速,是成立的,而且並不違法相對論。

這就能為我們解釋,可觀測宇宙為什麼認定有137億年的歷史,它就是根據退行速度(72公里/秒*百萬秒距,百萬秒距即326萬光年)算出來的。

當經過137億年,宇宙半徑大約膨脹到460億光年,我們看到的河外星系,是它們幾十億年前發出來的光,而真實的星系,其空間膨脹速度已經超越了光速,從我們的歷史中永遠消失了。

結語

正是這個原因,人類可能永遠無法真正理解完全的宇宙。科學家推算,我們只能觀測到全部宇宙的3%。

但也可能由此確認,空間曲率的存在,或許會是人類超越光速限制的關鍵。

未來會怎麼樣,誰知道呢?


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承邀

速度是指一個物體從一個點移動到另一個點。膨脹是指一個物體整體原地擴張。準確地說,物體膨脹不是物體移動,不能用距離來計算,應用立方來計算。所以,宇宙膨脹與光的移動不是一個相同的計算方法,不能相比較。既然宇宙膨脹不是宇宙移動,那麼它沒有因質量大而需要巨大的能量來推動它的移動,因而它膨脹的速度沒有違反速度越大質量變得越大而需要無限大能量的定律。相反宇宙因質量越大,能量也越大而膨脹的速度越快,據說它的膨脹速度超過了光的移動速度是有可能成立的。

但是,科學界有一個誤解,認為光的運動是單位移動的。這是錯誤的。其實光是光源的能量膨脹形態。光是光源能量的伸延。就好象一個人的一雙手有多長它的成長很緩慢,但它形成了的範圍是即時波及的。比一個成年人的一雙手展開有31萬公里,它生長的時間需要2000年,但它張開卻是一瞬間,光速也沒有它那麼快同理。

光速那麼快,我們一張開眼就看見太陽,那是我們處在太陽光的範圍內,如果太陽光的能量熄滅,我們離開了太陽光範圍,那麼馬上享受不了陽光,不需要等八分鐘。


自由媒體


宇宙膨脹的速度是低於光速的,只是宇宙外圍引力勢能高,時間流速快,光速與時間流速成正比,所以宇宙的半徑遠大於太陽系所在空間的年齡乘以光速,造成了宇宙膨脹速度大於光速的錯誤認知。


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光速恆定這件事是有前提的,這個前提就是要在慣性參考系中。在所謂的慣性參考系中,時間均勻地流逝,空間各向同性。您在地球上所感覺到的時間和空間都是慣性參考系的特徵。宇宙膨脹的速度超過了光速,說明它已經不在慣性參考系了,因為宇宙膨脹的實質是空間的膨脹。


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所有物質在宇宙中都是動態的,一切星體也一樣做有規律的運動。

物體的加速度,不可能超光速。

物體(星球)隨天體做挪移大運動時,可能會有光的速度。

膨脹是屬於爆炸式的拋出,速度不能達到光速。


奇石致遠


光速不可超越的理論也許是錯的,或者換句話說,只要人類科技突破了某些當前尚未意識到邊界時,超越光速就像當年突破音障一樣水到渠成。正如牛頓之前沒有人相信人類可以擺脫地球的束縛一樣。

儘管這麼說很可能被罵神經病,但這就是我的真實想法,要罵就罵吧,我無所謂。


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