如何理解宇宙膨脹超光速,而我們看到的卻幾乎沒變化?

2020-12-04 時空通訊

本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。

這個問題時空通訊已經回答過很多次,看來還有許多人有興趣,並且沒弄清楚,就再囉嗦一遍。

宇宙膨脹整體超光速是肯定的,小尺度很慢。

這個超光速是基於宇宙很大,有465億光年可觀測半徑,這是一個龐大的數字。

我們一定要理解光年是一個什麼概念。

光年就是光在真空中走一年的路程。光速在真空中每秒約30萬公裡,一個儒略年為365.25天,就是31557600秒,這樣一光年就是約9.46萬億公裡。

旅行者1號是人類發射已經飛得最遠的太空飛行器,飛了43年時間,才走了220多億公裡,約430分之一光年。它現在以每秒17公裡的速度飛行,要飛出太陽約1光年的引力圈,還需要17000多年。

從我們地球和太陽系的運行來看,我們並沒有感覺到宇宙膨脹的速度,否則我們就無法把控旅行者1號的飛行軌跡和速度了。

為什麼宇宙膨脹速度超光速,我們感覺不到呢?

原來宇宙膨脹是均勻的膨脹,就像吹一個氣球,當然不是我們想像這麼小的氣球,也不是有一個吹嘴的氣球,而是一個不斷脹大像籃球一樣圓形的球。

這只是為了比喻,實際上宇宙的樣子遠比這複雜很多,而且到底什麼樣,也無定論。

如果按照這個球來比喻宇宙,所有的星系都在這個圓形的球表面上,隨著球的脹大,所有的星系都會相互分開。

但靠得很近的星系分開是緩慢的,只有遠距離疊加起來才離開得很快。

所以,科學家們測量宇宙膨脹速度參數,也叫哈勃常數,是測量距離我們百萬秒差距(Mpc),約326萬光年遠星系離開我們的速度。

幾十年來,科學界通過各種個方法測得的哈勃常數有一些出入,大概在67.8~82.4km/s·Mpc之間,平均值約75.1km/s·Mpc。也就是說在距離我們326萬光年的地方,星系離開我們的速度約75.1公裡每秒。

計算宇宙膨脹速度適用哈勃定律。

天文學家埃德溫·哈勃在上世紀初頁發現了宇宙膨脹,並得出了哈勃定律,其表達式為:Vf=HcxD。

這裡,Vf表示星系遠離我們的速率,單位為km/s(公裡/秒);Hc為哈勃常數,單位km/(s·Mpc);D為要測算的目標相對地球的距離,單位Mpc。

哈勃定律包含著哈勃發現的宇宙膨脹規律,就是各向同性,速度均勻,越遠越快,越近越慢,與距離成線性正比關係。

我們根據哈勃定律,代入哈勃常數,就可以計算出距離我們任意距離星系離開我們的速度。

在那個可觀測宇宙邊緣距離我們460億光年的最遠星系,離開我們的速度就大於光速的三倍。

這就是宇宙膨脹大於光速的含義。

同樣,我們根據哈勃定律,代入哈勃常數向近距離反算,就會得出距離我們1光年的地方,宇宙膨脹的速率為0.023m/s,也就是每秒約2釐米多點。

在光年尺度,這點速度完全可以忽略不計吧?

即便距離我們254萬光年的仙女座星系,宇宙膨脹速度也是微乎其微的。

根據哈勃定律測算,在仙女座位置宇宙膨脹速率為58.5km/s,根據這個速率簡單計算,1000年才運行約1.85萬億公裡,約合不到1/5光年。相比254萬光年,只運動了1270萬分之一,人類肉眼根本無法分辨出來,因此人類看到的恆星等天體幾千年似乎都沒有什麼變化。

更重要的是,在宇宙小尺度空間,引力還是起決定因素的。

我們地球圍繞著太陽公轉,太陽圍繞著銀心公轉,整體上並沒有因為宇宙膨脹而分開。

而且,銀河系與仙女座星系也由於相互巨大的引力,不但沒有分開,還在以每秒約100多公裡的速度靠攏,按照這種趨勢運行,在未來40億年內,必然會發生相撞融合。

宇宙中星系合併融合的事情很常見,一般認為,巨大的橢圓星系就是星系融合的結果。

現在宇宙中還有許多正在融合過程中的星系被發現,這些都證明宇宙膨脹是大尺度膨脹,小尺度引力還是天體運行的決定因素。

但宇宙膨脹終究是宇宙整體的運動趨勢,受著暗能量的驅動,如果暗物質無法戰勝暗能量,宇宙永遠膨脹下去,所有星系最終都免不了分散消亡的下場。

宇宙的結局有很多種,其中的理論很複雜,這裡就不扯了。

這就是時空通訊理解的宇宙膨脹,大尺度超光速,小尺度很緩慢。

就是這樣,歡迎討論,感謝閱讀。

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