宇宙最快星系,遠離速度達2.3倍光速,為什麼它沒有違背相對論?

2020-12-04 探索浩瀚星空

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相信很多朋友都知道相對論,它是愛因斯坦提出的最偉大的物理理論,也是人類科學史上最偉大的一個基礎理論。相對論讓我們對空間,時間,宇宙有了更新的認知。

相對論一個偉大的理論,對人類的影響是深遠的,而人類目前對相對論的應用和理解還只是皮毛。愛因斯坦也因為相對論的提出,被科學界稱之為近現代科學史上最偉大的物理學家。

根據相對論,物體的速度並不是無限提升,而是有一個限制,那就是光速。不管物體的速度有多快,它最多只能無限接近光速,在很多人看來,超光速現象是不存在的,那事實真的如此嗎?當然不是。

事實上,在浩瀚的宇宙中就存在超光速現象,比如宇宙的膨脹,要知道宇宙大爆炸到現在是138億年,而目前人類可觀測宇宙範圍達930億光年。可見,宇宙膨脹的速度是遠超光速的,而且宇宙中有一個星系,它遠離我們的速度也超越了光速,達到了2.3倍光速。

這讓不少的朋友難以理解:為什麼這個星系遠離我們的速度能夠達2.3倍光速,難道這不違背相對論嗎?可事實上,它並不違背相對論,這是為什麼?要弄明白這個問題的答案,首先我們要對相對論有一個大體的了解。

很多人只知道相對論限制了物體的速度只能達到光速,可是卻不明白這個限制它是有前提條件的。相對論分為狹義相對論和廣義相對論,物體的光速限制是狹義相對論下的產物。在狹義相對論中,宇宙中存在一個終極速度,那就是光速,一旦物體有了靜止質量,光速就不可能達到,更不要說超光速了。只有靜止質量為零的物體才能以光速運動。

即使稱之為狹義相對論,那說明這是一個有局限性的速度理論,事實也的確如此。在狹義相對論下討論速度,有一個前提條件,那就是物體要相對於局域空間靜止。只有在有限的局域靜止空間中,物體的速度極限才是光速。

狹義相對論並沒有考慮時空本身的曲率和演化,認為時空就是沒有曲率的平坦空間。這一點跟我們對於海平面完全靜止這種理想化的模型非常相似,那麼地球上的海平面有完全靜止的情況存在嗎?很明顯不存在,由於大氣的流動,風的運動以及其它的因素,我們看上去海平面風平浪靜的時候,它其實也在運動,只不過幅度相對較小。

宇宙空間也是如此,完全靜止沒有曲率平坦的情況是不存在的,在現實中,宇宙充滿了能量和物質。在能量和物質存在的情況下,時空結構會隨著時間而變化,導致空間位置發生了變化。於是相對論還有一個廣義相對論,就是加入了曲率形成的更切合實際的理論。

在宇宙空間中,質量為王,大質量的天體比如恆星,它周圍的空間會變彎曲,處在這種彎曲空間中的物體就會不斷靠近該大質量天體,從而表現出引力效應。比如太陽系的中心是巨大的恆星太陽,它的質量佔到了整個太陽系質量的99.86%,於是它影響著整個太陽系空間發生了彎曲,八大行星在此彎曲空間中就會向太陽靠近,形成了公轉軌道。

在彎曲的空間中,即使物體本身不運動,它也會隨著彎曲的空間加速向前。這一點跟海平面起浪之後,浪的起伏帶動著物體向前運動是一樣的道理,在海上的船隻即使本身停止不動,一旦海平面起浪,那麼船隻也會快速運動。空間就像一條傳送帶,即便傳送帶上的物體是不動的,但運動的傳送帶會帶著上面的物體一起運動。

根據廣義相對論,在一個各向同性且均勻的宇宙中,時空想要保持靜態是不可能的,宇宙要麼在坍縮,要麼在膨脹。愛因斯坦提出相對論的時候不允許這種情況出現,於是引入了一個宇宙學常數,以維持時空靜態,於是有了狹義相對論。

在20世紀20年代,哈勃對星系的光譜做了詳盡研究。結果發現,宇宙中的星系並不是一半藍移一半紅移,而是幾乎都在紅移,只有銀河系附近的少數星系出現藍移,這表明星系基本上都在遠離銀河系。並且距離銀河系越遠的星系,遠離速度越快。

星系在不斷退行,背後的主要因素是宇宙的膨脹,那麼星系退行的速度有多快呢?這個可以用哈勃定律來計算,星系退行速度會隨著距離的增加而線性增加,比例係數稱為哈勃常數。

宇宙空間本身的膨脹帶動著星系在快速相互遠離,這一點跟氣球膨脹非常相似,我們把氣球表面比作宇宙空間結構,氣球上的點比作空間中的星系。當氣球膨脹的時候,氣球上的點會隨之被互相推開。無論從哪一個點看來,其它點都在退行,距離越遠,退行速度越快。

當星系之間的空間膨脹足夠多的時候,就會導致星系之間以超光速退行,目前,哈勃常數的測量值大概為70千米/秒/百萬秒差距。百萬秒差距是天文學上所使用的長度單位,1百萬秒差距表示326萬光年。哈勃常數表明,如果兩個星系的距離為326萬光年,空間膨脹會讓它們以70千米/秒的速度互相遠離,其他距離以此類推。

照此來算,當兩個星系的距離達到140億光年之時,空間膨脹會讓它們互相分開的速度達到光速。由於宇宙不斷膨脹,我們所能觀測到的最遠星系GN-z11現在已經退行到了320億光年之外,它目前的退行速度是光速的2.3倍,這是目前已知退行速度最快的星系。它現在發出的光永遠也無法抵達地球。

廣義相對論的提出對於人類來說非常重要,如果按照狹義相對論,物體的速度極限是光速,那麼人類將永遠不可能探索完宇宙,即使是小小的銀河系,我們也無法進行探索。因為以光速飛行,要穿越銀河系,也至少需要10萬年的時間,更不要說大到無法想像的宇宙了。

正是我們發現了宇宙在加速膨脹,空間是存在扭曲現象的,才讓我們對探索宇宙充滿了希望。雖然飛船本身的速度可能最快只能達到亞光速,但是空間扭曲帶來的速度卻是沒有上限的,能夠輕鬆超越光速。

如果我們掌握了空間扭曲的奧秘,能夠打破空間,讓飛船四周的空間發生彎曲,從而帶動飛船超光速前行,那麼人類就可以進行星際航行,快速到達遙遠的星空深處。而這種利用空間扭曲穿梭的方式,我們可以稱之為空間跳躍或者是蟲洞穿梭。

不管是哪種方式,它們都是宇宙膨脹前提下給我們創造的條件。這或許就是宇宙給人類的福利,雖然宇宙浩瀚廣闊,大到無法想像,但是空間彎曲現象的存在,卻能夠讓我們有機會走到宇宙的邊緣,走遍宇宙。

相關焦點

  • 愛因斯坦說光速最快,若有人在光速飛船中跑步,他是否超越了光速
    筆者-小文光速是宇宙中的最快速度,為每秒30萬千米,而光速也是被認為是最為渴望達到的速度,因為一旦達到光速,人類不僅可以縮短飛行所用的時間,而且還有機會星際旅行。而根據愛因斯坦提出的相對論,一個物體一旦達到光速,它的時間就會變慢,就外界看來,這樣物體的時間就如同靜止了一般,這就意味著人類有可能實現穿越,回到過去或者未來。雖然,人類距離光速飛行還有很長遠的一段路要走,但科學家發現,除了光速本身以外,還有一種名為時空曲率引擎的物質將在未來取代光速。
  • 兩艘0.6倍光速的飛船,相對飛行,它們相對速度能否超越光速?
    沒有靜止質量的物質以光速運行,比如光子,又比如電磁波。光速就是宇宙中最快的速度。而擁有靜止質量的物質,不論質量大小,都無法達到光速。只要通過質能方程進行簡單的計算就可以切身領略其中的緣由。光速不可超越,可如果我們能夠製造兩艘0.6倍光速的飛船,讓它們相對飛行,它們的相對速度是否能夠超越光速呢?一道數學題有兩艘0.6倍光速的飛船相對飛行,它們的相對速度是多少?這似乎是一道非常簡單的數學題,0.6+0.6=1.2,答案就是1.2倍光速。這個計算方法似乎沒有錯,但是得出的結果卻是令人驚訝的,眾所周知光速不可超越,為什麼會得出一個1.2倍光速的答案呢?
  • 若地球運行速度達到光速,人類會被甩出去嗎?
    你一定聽說過這麼一個說法:只要你能夠跑得比光速還快,那麼你就可以在時空隧道中隨意穿梭,回到過去或者去到未來。因為在愛因斯坦提出的相對論中,一切靜態質量不為零的物體最快也只能無限接近於光速,永遠無法達到光速。換句話說,無論人類進化得多麼高級,科技水平發展得如何先進,世間萬物也無法突破光速的限制。
  • 為什麼引力速度必須等於光速?
    引力速度等於光速首先是來自廣義相對論的推論,然後經過了大量的觀測證實,而確立起來的一個宇宙基本規律。引力傳播的速度不像是光速那樣,可以通過隨處可見的可見光去測量,由於引力看不見也摸不著,並且十分微弱,所測量起來十分困難。直到最近幾年我們才通過雙黑洞、中子星的合併發現了引力波的存在,以及測量的其速度,確實是廣義相對論所預測的那樣,和光速無法區分。
  • 歐南天文臺:困住六星系的黑洞,十億個太陽,它是怎麼誕生的?
    歐洲南方天文臺(ESO)的VLT(甚大望遠鏡)發現一個宇宙大爆炸九億年後就形成的超大黑洞(QSO)SDSS J1030 + 0524,質量高達太陽的十億倍!在它布置的引力網中,有六個星系被黑洞強大的引力纏在了裡面!
  • 牛頓的棺材板真壓不住了,光速到底有多慢?
    我們知道光速大約是每秒30萬公裡,這個數據居然還有人不滿意,嫌慢? 光速指的是光波或者電磁波在真空或介質中的傳播速度,是已知的最快速度,人類最先進的太空飛行器速度跟它相比也是灑灑水!
  • 一起進入速度的世界,光速可能不是最快!
    據研究人員觀測,風速最快達到了513公裡每小時,是目前觀測到的地球上最快風速。仙女座星系是距離銀河系最近的大星系,距離地球約255萬光年。光速是目前宇宙中觀測到的最快速度,每秒30萬公裡。,導致宇宙從爆炸的一刻起就在不停地膨脹。
  • 科學家計算出的宇宙年齡和大小,真的準確嗎?
    退行速度同距離的比值,這便是我們經常聽到的哈勃常數,於是便有了下面的公式:V=HD其中V是星系遠離地球的速度,而D則是星系退行的距離(也就是目前為止星系距離地球的距離其中D可以通過天文望遠鏡觀測而計算出,V可以通過相對論都卜勒效應計算出來,於是我們便可計算出星系用了多久達到了現在的位置,也就是宇宙的年齡,而這個數值剛好是哈勃常數的倒數!
  • 當兩個物體以二分之一光速相向而行,相對速度為光速嗎?
    說到速度就需要提到參考系,沒有絕對的速度,但是可以通過w=u+v這樣的相對速度公式去計算,這樣的公式即使到現在也依然適用,但是有一個前提條件,那就是低速世界,這樣誤差才可以忽略不計,但進入到高速世界這樣的公式就不適應了。我們需要用洛倫茲變換對速度合成公式進行修正如下。
  • 超大黑洞突然消失於星系,很可能在宇宙中遊蕩,這是吃飽了撐的?
    宇宙中幾乎每個大星系的中心都有一個「超大質量黑洞」,其質量是太陽的百萬倍或數十億倍。例如我們銀河系中心的就是一質量為4.100±0.034百萬倍太陽質量的超大質量黑洞。據科學家研究表明,這個估計重達太陽質量1000億倍的超大質量的黑洞,現在已經消失了。Abell2261星系團面對Abell2261星系團中不同尋常的現象,研究人員基於美國宇航局Chanda X天文臺的2018年數據進行了推理,認為「黑洞缺失」可能是由於兩個較小的星系合併而發生的。在這個過程中,兩個星系中的超大質量黑洞也會合併。
  • 第1個發現星系光譜線紅移的人
    後來他又測量了草帽星系的速度,這次星系表現的不是藍移,而是紅移,而且都卜勒效應甚至更加明顯,草帽星系的紅移量達到了如此大的一個程度,由此推算出它飛離地球的速度達到了每秒1000千米。  在威爾遜天文臺的哈勃武器更為先進,因為它有一臺100英寸的胡克望遠鏡,雷射能力是斯裡弗使用的洛爾天文臺望遠鏡的17倍,除了有這麼先進的儀器以外,它不還有一位得力的助手——赫馬森。
  • 尺縮鍾慢效應已證明無比正確為什麼還有人說相對論不堪一擊?
    只要稍微懂得一點狹義相對論中的時間膨脹理論,也就是運動中的鐘慢尺縮效應,就會覺得這個題只是一個無知的笑話,就像看到一個傻子大笑著說別人傻一樣的好笑,難道這個傻子不是「妄想症」嗎?愛因斯坦狹義相對論關於鍾慢尺縮效應認為,當一個物體運動速度接近光速時,物體周圍的時間就會迅速變慢,空間會迅速縮小。但達到光速時,時間就會停止,空間會縮小為零。
  • 以接近光速相向或背向而行的兩物體為什麼相對速度不是兩倍光速?
    其實,經典物理學和相對論之間有一個很本質的區別,那就是對於時間和空間、物質和能量的看法不同。因此,有人也把牛頓的那一套叫做牛頓機械世界觀,而相對論也被叫做愛因斯坦的世界觀。這兩個世界觀中,牛頓的機械世界觀是很符合我們的直覺的,所以,我們也會毫無察覺地就開始使用。為什麼這麼說呢?其實,我們要搞清楚一點,那就是我們是生活在宏觀低速的世界裡。
  • 愛因斯坦的廣義相對論是什麼?
    它基於空間的「彎曲」能力來解釋引力,或者更準確地說,它將引力與時空的幾何變化聯繫起來了。1915年,阿爾伯特·愛因斯坦創立了廣義相對論(GRT),即這個「特殊」理論誕生十年之後,應用光速,並假設物理定律在任何給定的參照系中保持不變。但是,乍一看,GRT是不是真的很複雜?如何理解廣義相對論?
  • 宇宙時間盡頭是什麼?人類對宇宙有多渺小?蘇軾早已用一句詩描述
    也就是宇宙現在的年齡是138億歲……很多人好奇:按照愛伊斯坦《相對論》解釋,宇宙中任何物質的運動速度都不能大於光速,那麼宇宙的直徑最多也就是276億光年,為什麼說宇宙的直徑是960億光年呢?在此解釋一下:一九二九年,美國天文學家哈勃根據「所有星雲都在彼此互相遠離,而且離得越遠,離去的速度越快」這樣一個天文觀測結果,得出結論認為:整個宇宙在不斷膨脹,星系彼此之間的分離運動也是膨脹的表現,而不是由於任何斥力的作用。
  • 什麼是相對論?愛因斯坦到底破解了什麼秘密?
    相對論絕非是「靈機一動」的純粹思維產物,而是包含了大量的高等數學。它的基礎是數學,其形式也要數學來表達。很多民科總是喜歡對我說,相對論是偽科學,他們是如何地推翻了相對論,但他們不能出示嚴謹的數學模型,因為他們沒有數學能力,甚至連中學數學能力都不能具備。鑑於相對論的數學過程比較難懂,我就只說說它的原理。
  • 既然我們看到的星光都來自過去,為什麼無法看到宇宙大爆炸?
    1.宇宙大爆炸之後的時間比現在慢嗎?網友:我沒有專業學習過天文學,出於個人興趣在一些文章中了解到時間、質量、速度,甚至宇宙的大小(無可否認這又是大爆炸問題中的另一個難題)之間有很密切的關聯。所以我想問,特定的時間量的說法是否有意義(儘管它們實際上只是估計值)?
  • 宇宙中最可怕的東西,據說連黑洞都能吞
    人類,對於宇宙來說,就連滄海一粟都算不上,目前人類探索到的可觀測宇宙半徑大概460億光年,但這僅僅是可觀測宇宙的一部分而已。目前的宇宙依然以超光速繼續向外膨脹。黑洞是一種質量極大的天體,必須是太陽質量的幾百倍才能形成黑洞,因為自己的引力實在太過於強大,連目前宇宙速度最快的光都無法逃脫,並且一切的物質一旦靠近黑洞,都會被徹底的分解。但是在宇宙中還有一種物質比黑洞還要可怕。那就是類星體,又稱為似星體、魁霎或類星射電源,是人類觀測到非常遙遠的天體,能量最高的活躍星系核。高紅移的類星體距離地球可達到100億光年以上。
  • 牛頓力學、狹義相對論和廣義相對論,通俗的講一下這些不通俗的事
    然而,牛頓力學體系並不完美,甚至可以說並不是一種普遍的規律,其所描述的其實是一種普遍規律之中的一小部分特例,所以,之後便有了愛因斯坦的狹義相對論和廣義相對論,終於算是將力和運動的事情給說明白了。那麼,什麼是牛頓力學、狹義相對論以及廣義相對論呢?這些是複雜而高大上的話題,不是一句兩句,一天兩天能夠說清楚的。