宇宙本身膨脹的速度真的比光速還快嗎?

2020-11-22 天文在線

我們看到的宇宙,從大爆炸開始到現在已經存在了約138億年。但是如果你要問我們能看到多遠,答案並不是138億光年;事實上比這遠得多。如果你努力思考,也許你會想像兩倍的那個距離:如果一個發光體在138億年前距離我們138億光年,也許它在加速遠離我們的過程中發光,也許甚至在以接近光速的速度運動。如果發光體從那時起在以299,792千米/秒的速度勻速遠離我們,那麼它的光現在應該剛剛到達,而此時那個發光體本身距離我們276億光年以外。這些全都是推理,但是它有一個不太理想的假設:空間本身是靜態的。

我們所居住的空間並不是靜態的,而是在擴張。事實上,我們今天可以測量出膨脹率,一個物體在遙遠的過去是什麼樣,以及在這期間每一個紀元都是什麼樣的。結果發現,一個在大爆炸時期離我們只有168米遠的物體(在大爆炸10^-33秒後)發出的光在138億年後的今天才能到達我們,它經歷了一段不可思議的旅程和數量的拉伸之後,現在位於離我們461億光年以外的地方。

「啊哈」,你會說,「那說明了空間膨脹的速度比光快!」

事實真的如此嗎?由於為了讓一個物體的運動速度超過光速,它需要有一個固定的速度:你可以在一秒內測量出運動的距離有幾千米。但宇宙的膨脹完全不是這樣。

相反地,宇宙在以每個距離單元內不同的速度膨脹,通常我的測量是每兆秒差距下每秒的公裡數,其中一個兆秒差距大約是326百萬光年。如果膨脹速率為70 km/s/兆秒差距,那就意味著,平均來說,一個10兆秒差距以外的物體應該以700 km/s的速度進行擴張;一個200兆秒差距以外的物體以14000 km/s速度後退;一個5000兆秒差距以外的物體以350,000 km/s的速度遠離。

這是否意味著所有事物都在以比光速更快的速度移動?讓我們先回到愛因斯坦的狹義相對論,並且想想當我們說沒有什麼移動得比光快的時候是什麼意思。它的意思是,如果你有兩個處在相同時空中的物體(在同一時間同一空間),那麼它們相對彼此的移動速度不可能超過光速。即使其中一個在以99%光速的速度朝北運動,而另一個以99%光速的速度朝南移動,它們之間並不是以198%光速的相對速度移動,而是99.995%的光速。不管每個物體運動得多快,它們相對彼此的運動速度永遠不會超過光速。

這就是為什麼這個理論被叫做相對論的第一個原因,因為它測量的是兩個相同空間地點和時間下的兩個物體的相對運動。但這個類型的相對論——狹義相對論,只把規則設定在你的局部的、沒有膨脹的空間。廣義相對論在這基礎上增加了一層:空間自身也會膨脹的事實。通過測量正常物質,暗物質,暗能量,中微子,輻射和更多今天宇宙中存在的物質,以及光怎樣在宇宙膨脹帶來的紅移中從不同距離到達我們,我們可以準確地重建在過去某個時間點宇宙到底有多大。

當宇宙有大約10,000年的年齡時,可觀測的宇宙的大小就有1千萬光年了。當它只有1歲時,可觀測宇宙大小是將近100,000光年。當它年齡為1秒時,它的大小已經超過了10光年。這聽起來當然像是膨脹得比光速快,不是嗎?但是,在任何時間點上都不存在一個粒子相對另一個有交互的粒子的運動速度超過光速。

相反地,唯一發生的事情就是粒子間的空間膨脹了,隨之,粒子間距離增加,那個空間的輻射波長被拉長了。這已經在宇宙歷史上持續發生了上十億年了,並且在今天會繼續發生。即使我們過去在以光速運動,今天也可能永遠不會接觸到一個156億光年以外的物體,這不是因為物體在以超過光速的速度後退,而是因為不同位置間的空間在持續膨脹。

關鍵的點是空間並不是在以一個特定的速度膨脹,而是以一個特定的速率:每個距離單元下的速度。結果,你看得越遠,空間膨脹會對你和觀測物體之間的距離影響得越多。只要空間在膨脹,你就可以計算出一個距離,如果你超過它,所有物體都像是在以超過299,792 km/s的速度遠離你。一個物體離得越遠,你可以肯定它發出的光越紅,距離越遠,看起來就是在以越來越快的速度遠離你。但是超過光速?你需要在相同的位置去測量它。相對於我們的位置,沒有東西的運動速度可以超過光速,這在宇宙的所有位置所有時期都是適用的。空間確實在膨脹,但它不僅沒有比光速膨脹得快,它甚至連一個膨脹速度都不存在!

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