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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。