可觀測宇宙半徑遠大於光線在宇宙中所傳播的最遠距離的根本原因

2020-08-10 新常新科技


宇宙星系示意圖

雖然宇宙中除了有各類星球之外，還有常見的各類粒子(夸克、電子、質子、光子、中微子等)、波(如電磁波、引力波)、射線(如α、β、γ 射線)、星際塵埃等物質，但通過觀測和研究發現，所有的這些物質相對於浩瀚的宇宙而言，含量不到5% ，僅僅是滄海一慄，餘下的全是暗物質和暗能量，且宇宙在不斷地膨脹，導致星系(這裡指由數目龐大的恆星系、塵埃組成的天體系統，如銀河系、河外星系)間的距離越來越遠，當然，在各個星系內部，也有相互分離的趨勢，只是由於內部各天體之間的距離較近，引力發揮了巨大作用，才沒有導致分離，但該間距相對於我們所觀察或研究的對象所需的距離而言，往往也是天文數字，這也意味著哪怕是在指定的相對狹小的某個太空傳播區域內，宇宙都近似處於真空狀態，光在宇宙中的傳播速度可看作真空中的傳播速度，即c=299792458米/秒，約為30萬公裡/秒。

根據愛因斯坦質能公式E=Δmc^2可知，任何物體或微粒一旦發生質量損失或虧損，損失的質量和釋放出的能量都存在這種確定的關係，反之，質量在增加時，增加的質量Δm和獲得的能量E也存在這種確定的關係，即愛因斯坦所說的「質量就是能量，能量就是質量。」也就暗示了:能量能夠生成宇宙中的任何物質(包括各種場和目前尚無法觀測的暗物質)，且已生成的任何物質都可以消亡，全部轉化為能量，畢竟宇宙萬事萬物都有產生、發展和消亡的過程。否則，我們身處的宇宙就是永恆存在的，其年齡應為無窮大，但這與宇宙100多億歲(2019年9月，德國科學家在《科學》雜誌撰文稱，他們計算出的宇宙年齡為114億歲，比目前主流觀點認為的138億歲左右的年齡年輕20多億歲)的有限年齡矛盾。所以，不管大爆炸宇宙論(現代宇宙學主流觀點，認為當今宇宙是由一個體積極小、溫度極高、密度和內部壓力極大的奇點爆炸後不斷膨脹形成的)是否正確，在我們身處的宇宙之中，任何物質都不可能憑空產生，只能是由能量生成的。

愛因斯坦和他的著名的質能公式

因此，在現今可觀測的直徑至少為930億光年(最新的研究認為宇宙的直徑至少為1560億光年)的宇宙外面，應是由無邊無際的能量場(如果外宇宙存在，如同我們的宇宙中存在暗物質，該能量空間內也可能有暗物質生成)所充斥的無限空間，至少從宇宙外的能量場湧進了大量暗能量(宇宙中的一種特殊能量，它和暗物質一樣，都不會吸收、反射或者輻射任何光線，因而使人類尚無法採取現有的科技手段進行觀測)，這才導致我們的宇宙暗能量在不斷增加，這可形象比作用打氣筒源源不斷地把空氣打進氣球，使氣球不斷膨脹變大一樣，只會使宇宙不斷膨脹。當然，在我們身處的宇宙之外，由能量至少生成一個宇宙的可能性也較大。

因此，不管目前流行的大爆炸宇宙論是否正確，至少有一點是肯定的，即為:至少從宇宙外的能量場湧進了大量暗能量，使宇宙不斷膨脹。

當外力對真空中的一個物體從靜止開始加速，使其速度最終在光速面前不可忽略時，根據愛因斯坦的相對論質速公式和質能公式可推知，其運動質量m=m0/√(1-ⅴ^2/c^2) 不再近似等於靜止質量m0( 靜止質量是指對於此類物體，選取一個與它相對靜止的參照系後，測出來的質量，而運動質量，指該物體相對於這個參照系運動後，測出來的質量)，顯然，當v→c-(即物體運動速度無限接近光速)時，其質量會趨於無窮大，這樣只會消耗無窮大的能量為它加速，根本就做不到。

當然，超過光速也不現實，因為上面已說到當v→c-時，其質量會趨於無窮大，消耗的能量也會趨於無窮大，其原因就在於質能公式Ek=Δmc^2。即當任何物體的速度增大時，說明存在外力對它做正功，把能量源源不斷地輸送給了它，而根據該公式可知，這些能量全部轉化成了物體增加的這部分動能Δmc^2，最終轉變成物體增加的這部分質量Δm，即愛因斯坦所說的「質量就是能量，能量就是質量」，這才會導致其速度在接近光速時增加得越來越慢，最後幾乎不再增加，能量幾乎全部轉化成物體的質量，即至少在我們身處的宇宙之內，沒有任何物質的速度會超過光速。

這就是愛因斯坦所說的「任何物質的速度都不可能超過光速」(即任何物質相對於所在空間的速度不能超過真空中的光速，但這與空間本身是否膨脹無關)的根本原因。

由此可知，如果不考慮大爆炸宇宙論的觀點，且僅按宇宙100多億歲的年齡和愛因斯坦所說的「任何物質的速度都不可能超過光速」推算，連宇宙中速度最快的物質——光子的最大傳播距離也才100多億光年，這比目前可觀測的宇宙半徑(至少為465億光年)還短了一大截，況且宇宙的暗能量在不斷增加，所以，唯一的事實就是:宇宙中的任何天體在退行的過程中，在宇宙邊緣處至少有一處缺口，宇宙外的暗能量(可能是宇宙外的能量場中的一種能量，也可能是由該能量場中的部分能量轉化而來的)就從這類缺口裡湧進來，它們就如同把常溫下的氮氣安全地充入盛有適量氧氣的瓶子後，可在瓶內隨處與氧氣相互擴散一樣，這些暗能量也在宇宙空間內到處擴散，因而引起整個空間較均勻地膨脹，銀河系外任何天體就在此膨脹速度的基礎上再添一個自身的速度增量，使這些天體相對於地球的退行速度在這種膨脹的空間裡也能超過真空中的光速(約為30萬公裡/秒)。顯然，在此超光速現狀下，經過100多億年的時間，單是這些不能作超光速運動且運動速度遠小於光速的天體的退行距離也完全能達到465億光年！

暗能量想像圖

這種膨脹後的超光速現象可形象地理解為公路上有一前一後行駛的兩輛汽車，當公路不斷朝著道路前方膨脹時，即便前面的車沒有後面的開得快，只要公路膨脹速度足夠快，後面的汽車就永遠追不上前面的車，因而，會使間距越來越大。顯然，在整個宇宙中，離我們的地球越遠的天體，不管它相對於其周圍的空間朝著哪個方向移動，因在與地球的間距上，每單位時間內，平均每單位距離所在的空間都在膨脹，如在每秒種內，在與我們的間距上，平均每米距離所在的空間都在膨脹，照此累加下去，最終導致離我們更遠的一些河外天體的退行速度可超過光速，即哈勃定律裡的河外星系的退行速度同距離成正比，其比值為哈勃常數。這時，即便這些天體本身的移動速度遠小於光速，也絲毫不影響它們相對於地球的超光速退行速度(歐洲航天局在2013年3月宣布普朗克衛星得出新的哈勃常數值為67.80±0.77(km/s)/Mpc(Mpc即百萬秒差距 ，大約為326.156萬光年)，由此可算出在距離地球140多億光年之外，宇宙膨脹速度就可以超過30萬公裡/秒)。

當然，如果大爆炸宇宙論是正確的，即認為當今宇宙是由一個體積極小、溫度極高、密度和內部壓力極大的奇點爆炸後不斷膨脹形成的，這也與當今的宇宙膨脹和暗能量不斷增加這一事實不矛盾。

總之，不管我們身處的宇宙是否由奇點生成，宇宙空間膨脹是事實，它才是宇宙中的物質作超光速運動，最終使整個宇宙半徑大於自宇宙誕生之後的光線在宇宙中能傳播的最遠距離的根本原因！

宇宙大爆炸示意圖


相關焦點

  • 可觀測宇宙半徑遠大於光線在宇宙中所傳播的最遠距離的根本原因
    ，也有相互分離的趨勢，只是由於內部各天體之間的距離較近，引力發揮了巨大作用，才沒有導致分離，但該間距相對於我們所觀察或研究的對象所需的距離而言，往往也是天文數字，這也意味著哪怕是在指定的相對狹小的某個太空傳播區域內，宇宙都近似處於真空狀態，光在宇宙中的傳播速度可看作真空中的傳播速度，即c=299792458米/秒，約為30萬公裡/秒。
  • 宇宙年齡是138億年，為何可觀測宇宙的直徑是920億光年？
    這並不矛盾，原因是宇宙從誕生到現在，一直處於動態膨脹當中；在光速不變的前提下，宇宙膨脹將會導致光線要走更遠的距離才能抵達觀測者。根據宇宙大爆炸的演化模型，我們宇宙誕生於138億年前的一次暴漲，宇宙從一個半徑無窮小的點膨脹為如今的宇宙，由於光速不變，於是以任何一個點為中心，較遠距離上發出的光線將沒有足夠時間到達地球，於是才有了可觀測宇宙的概念。
  • 宇宙年齡是138億年,為何可觀測宇宙的直徑是920億光年?
    根據宇宙大爆炸的演化模型，我們宇宙誕生於138億年前的一次暴漲，宇宙從一個半徑無窮小的點膨脹為如今的宇宙，由於光速不變，於是以任何一個點為中心，較遠距離上發出的光線將沒有足夠時間到達地球，於是才有了可觀測宇宙的概念。可觀測宇宙：指以觀察者為中心的球體空間內，所有物體發出的光都有足夠時間到達觀測者，也稱作哈勃球體。
  • 為什麼宇宙可觀測年齡比宇宙年齡更大？
    我們已經知道宇宙年齡為138億年，宇宙中最快的物體速度也不能超過光速，那麼按道理自宇宙大爆炸後走的最遠的星系也不能超過138億光年，為什麼我們的可觀測宇宙半徑卻是461億光年呢？ 我們已經知道宇宙年齡為138億年，宇宙中最快的物體速度也不能超過光速，那麼按道理自宇宙大爆炸後走的最遠的星系也不能超過138億光年，為什麼我們的可觀測宇宙半徑卻是461億光年呢？ 簡單來說，這是宇宙空間本身膨脹導致的，星系的運動速度是不能超過光速的，但是宇宙膨脹的速度卻是可以超過光速的。現在用來解釋膨脹用的最多的就是氣球的例子。
  • 宇宙的年齡只有138億年。為什麼可觀測宇宙的半徑是465億光
    現在我們已經知道了地球、太陽系和銀河系的大小，但是我們無法測量宇宙的真實大小，因為宇宙太大了，我們甚至認為宇宙幾乎是無限的。銀河系直徑為10萬光年雖然我們無法測量宇宙的實際大小，但我們仍然給出了一個可觀測的大小。所謂可觀測宇宙是以空間望遠鏡發出的最遠恆星光的距離為半徑計算的宇宙面積。
  • 可觀測宇宙有多大?是宇宙年齡 x 光年嗎?
    宇宙的大小光速是宇宙中最重要也最基本的一個性質，它被應用在各個方面，比如距離測量、通訊以及出現在各種公式之中。在真空中，光的傳播速度等於299,792,458米每秒，光是體驗不到時間的流逝的，而且光速是不變的。簡單來說，在宇宙中沒有任何物體可以運動的比光還快。
  • 宇宙加速膨脹,星系越來越遠,怎樣才能觀測到更廣闊的宇宙?
    其潛在原因一度被認為是暗能量——它將使宇宙消失在流逝的時間裡。毫無疑問：可見宇宙中有大約兩萬億星系，其中的97%我們就算此刻以光速出發，依然畢生無法到達。但是雖然我們到達不了，我們仍然可以觀測到它們。更令人著迷的是：新的前所未見的星系們正在不斷地被我們觀測到。我們可能永遠無法抵達那些正在消失的地方，但卻可以看到它。如圖所示。
  • 宇宙中最遠的距離不是宇宙的盡頭,不同維度之間的距離才是最遠
    引言：在人類看來，宇宙是浩瀚無窮的，即使人類傾盡所有去探索宇宙的邊際，最終也可能無功而返。目前人類可測的宇宙範圍大約是930億光年，這個數字對於人類來說簡直太遙遠了。然而科學家表示，這並非宇宙最遙遠的距離，最遙遠的距離是維度之間的差距。
  • 為什麼宇宙的年齡是 130 億年,而我們卻能看到 470 億光年遠?
    ，因為宇宙的空間無處不在的膨脹，在138億年前發射出光線的物質早已遠離我們而去（注意我們上面車子的類比），實在是遠的不能再遠了（遠大於460億光年）v=XBr4GkRnY04這時，以我們為中心到以我們能看到的最遠的物質的距離為半徑，做一個球體
  • 可觀測宇宙半徑只有465億光年,難道人類真的生活在牢籠當中嗎?
    在天文學中，有個「可觀測宇宙」的概念，這個概念的意思是說理想狀態下，人類所能夠觀測到的最大範圍是465億光年，也就是一個直徑930億光年的球狀體。在這個範圍之外，我們永遠無法觀測到了。不過，這個「可觀測宇宙」的觀念是在目前理論框架下的結果。也就是說，按照目前的科學理論，我們確實就只能看到這麼大的範圍。那為什麼會這樣呢？
  • 我們常說可觀測宇宙這個概念,那麼地球是可觀測宇宙的中心嗎?
    根據宇宙膨脹的結論，科學家們將這一現象反推，認為存在著一個膨脹的起點，也就是宇宙現有物質的最初來源點和起源時間。於是科學家們根據目標星系的退行速度與觀測點之間的距離的比例關係（哈勃定律），來反推退行所需要的時間，繼而得到宇宙的年齡為138.2億年這一數值。而推測出來宇宙起源的這個起點，科學家們冠以「奇點」之名。
  • 可觀測宇宙直徑930億光年,這個範圍到底是咋來的?
    說白了就是人類理論上所能看到的最大的範圍。我們現在也知道，宇宙並非是永恆的，而是有一個開端，被我們稱為宇宙大爆炸。這個事情發生在138億年前，也就是說，如果從這個時間算起，通過光速乘以時間，我們可以知道，我們可觀測到的範圍是以138億光年為半徑的宇宙。意思是說，我們能看到最遠的光，它距離我們138億年光年的恆星發出的光，這時候恰好能達到地球被我們觀測到。
  • 宇宙約為138億歲,可觀測宇宙半徑卻達465億光年,矛盾不?
    宇宙的年齡與可觀測宇宙範圍之間存在著兩個相互矛盾點：其一，宇宙的年齡既為138億歲，那麼即使宇宙空間以光速膨脹，宇宙的大小也應該僅為半徑138億光年，而現在可觀測宇宙的半徑就達到了465億光年，而不可觀測的部分更是不知道有多大。
  • 宇宙存在一個中心點，地球距離宇宙中心區球體不超過10億光年
    ，屬於極限粒子固體中最大的極限粒子固體物（如圖53）而宇宙中心區球體是一個密度極高的球體，在這個球體中只能容許大質量物質體活動其中，任何質量相對較小的可感物質體及小質量物質體將根本無法融入，或即便融入也會被迅速分解，故對人類只能通過該球體對外溢出正能量子對該球體進行認知，但這些正能量子往往都是無法被人類感官識別的高頻率能量子，且該宇宙中心天體外層有大質量物質區和大質量物質體的阻隔，故人類將可能無法直觀發現宇宙中心的神秘內核
  • 可觀測宇宙的邊緣就是星空的盡頭?事情遠不是你想的這麼簡單
    假如你擁有一臺超大功率的天文望遠鏡，它能夠捕捉從最遙遠的天體發出的、經過了長途跋涉而來到你眼中的光，那麼，你最遠能看到哪裡？你可能會簡單地認為這取決於一個條件，那就是望遠鏡的性能，口徑越大集光能力越強，就能看到更遠的更暗淡的天體。如果你是這樣想的，那就大錯特錯了。事實上，我們最遠能看到多遠，真正的答案取決於宇宙有多古老。
  • 宇宙年齡是130億年左右,為什麼人類能觀測到460億光年遠的天體?
    宇宙年齡約130億年,這是大家所熟知.但是人類迄今為止觀測到的最遠的天體則為460億光年遠.
  • 宇宙中有那麼多恆星,為何太陽落山之後,天空就變黑了?
    我們處所的銀河系估測恆星的數量就有1000-4000億個，而在可觀測宇宙範圍內，像銀河系這樣的星系起碼有數萬億個之多，那麼理論上在半徑為465億光年可觀測宇宙內，恆星的數量可以達到10^23這樣的級別。
  • 宇宙中傳播最遠的光又是什麼?
    在距離太陽越遠的地方，看到的太陽會越暗，因為光的強度反比於距離平方。如果在距離太陽30天文單位的海王星上用肉眼看太陽，只能看到一個亮點，其亮度大約是滿月的390倍。如果在距離太陽56光年之處，太陽將會暗淡到肉眼不可見（雖然人類沒去過這麼遠的地方）。不過，這並不意味著太陽光傳播到那裡就消失了，只是人眼無法感知到很暗的光。但藉助天文望遠鏡，很容易就能看到太陽。
  • 可觀測宇宙有多大?直徑930億光年.
    將這一因素納入考慮之後，天文學家們的計算結果顯示，那些從138億光年外發出的光線，產生這些光線的古老天體，由於宇宙的膨脹，今天它們和我們之間的距離已經達到了大約465億光年左右。    這一數值是我們目前對於可觀測宇宙半徑的最佳估算。將這一數值乘上一倍，我們就能獲得可觀測宇宙的直徑，大約是930億光年。
  • 飛行器到達可觀測宇宙邊緣的時間,與螞蟻爬到太陽相比哪個快?
    雖然太陽與地球的距離，以人類視角來看已經非常遙遠，連太陽光線都需要8分多種才能到達，但是與更為宏觀尺度上的可觀測宇宙相比，這點距離簡直微不足道，而飛行器的速度相較於螞蟻的速度也會有好多個數量級的差別，這似乎讓這兩種方式之間的比較具有一定的可類比性，下面不妨簡單分析一下。當然，這只是理論上的分析和探討，而實際上螞蟻怎麼樣也不可能爬到太陽，人類的飛行器也到達不了可觀測宇宙的邊界。