宇宙膨脹超過光速,相對論無法解釋,愛因斯坦遇到了什麼困惑

2020-12-06 華箋流香

本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。

我們知道,根據狹義相對論,真空中的光速C是任何物體運動的極限值。但是事實上,廣義相對論中,光速也是任何物體運動的極限值。

那麼既然如此,廣義相對論中的「廣」字體現在哪裡呢?

廣義相對論在推導過程中使用了「等效原理」。

》引力場的局部和做加速運動的慣性系完全等價。

因為慣性系要服從狹義相對論,所以廣義相對論中,光速仍然是萬物運動的極限。

廣義相對論解決狹義相對論沒辦法解決的幾個問題:

第一,描述了大質量物體對於時空曲率的影響。

第二,解釋了大質量星體在燃燒完以後潰縮為黑洞的過程。

第三,描述了宇宙的誕生與演化過程。

大質量物體對時空曲率的影響,表現為讓通過附近的光線彎曲,彎曲的光線可以繞開前面的遮擋物,使後面的物體被看見;光線在離開引力場的時候,頻率會降低,產生紅移現象;由於星體的旋轉會對周圍的時空產生拖曳效應。

目前的科學實驗,都在極高的精度上驗證了上述廣義相對論的推論。

》根據廣義相對論,空間必須依賴於物質的存在而存在。

因為物質之間的聯繫以光速為界,所以物質對於空間的影響也以光速為界。

當兩個黑洞合併的時候,一部分能量會以引力波的形式向太空中釋放。因為引力波是由於時空彎曲產生的漣漪,所以引力波的速度也是光速。

美國雷射引力波天文臺對多起雙黑洞合併事件進行了測量,證實了引力波的傳播速度是光速。

》1929年,美國天文學家哈勃發現了驚人的現象!

哈勃在用望遠鏡觀測宇宙空間中星系的時候發現:在遙遠的宇宙空間,所有的星系都在做遠離地球的徑向運動,星系相對於地球的運動速度,等於星系、地球之間的距離乘以一個常數。

這個常數被稱為哈勃常數,為72公裡每秒/百萬秒差距,相當於0.022米每秒/光年。

在一光年的尺度上,這個速度非常的微小,但是只要乘以足夠長的距離,這個數字就會擴張的非常大。

我們一般說,可觀測的宇宙半徑是450億光年。在450億光年外的星系,飛離地球的速度相當於光速的兩倍。

我們看到的這些星系的影像,實際上是138億年前發出的。

也就是說宇宙邊緣現在是什麼樣子,我們人類永遠也不知道。

》廣義相對論描述的宇宙大爆炸,與真實的宇宙擴張有出入。

我們所處的三維空間的宇宙附著在一個高維度的超球體宇宙上。

在銀河系中能夠找到的最古老的恆星大概是136億歲,而宇宙中第1顆恆星被點亮的時間,大約在宇宙誕生以後2億年。所以我們這樣反推宇宙的年齡是138億歲。

因為宇宙現在是在不停的擴張,所以把時間軸回滾到138億年前,按照正常的推論,它應該壓縮成一個點。

這個點就是宇宙大爆炸的起點。

廣義相對論描述的宇宙大爆炸,是物質的大爆炸。就像一個普通的炸彈那樣的爆炸。

按照廣義相對論,空間的擴張依賴於物質的擴張。然而實際上並不是這樣。

但是現在,觀察到的現象可以認為:空間可以脫離物質單獨存在,宇宙的擴張就是真空在不斷生長的過程。

廣義相對論描述的是:物質的運動規律,在任何坐標下運動規律的不變性。

》宇宙給愛因斯坦出的難題:空間在成長,坐標軸在不斷拉伸。

這個拉伸的速度就等於哈勃常數,一光年的尺度,一天可以延長1.9公裡。

從表面上看這是物理的困境,更深層次的意義上是數學的困境。因為從數學誕生第1天開始,函數的坐標軸就是靜止的。

這說明我們的宇宙存在著更深層次的規律:宇宙即在維度上分層,又在邏輯上分層。

縱觀人類的文明發展史,所有的科學研究都要在哲學原理基礎上才能展開。

》在經典物理學裡面,還有一個隱含的原理:定域性原理。

定域性原理是指:物質的運動只受周圍的物質影響。這個原理,屏蔽了外星人幹擾人類物理實驗的可能性。

定域性原理在量子力學裡面被量子糾纏所打破,但是在宏觀物體的運動中仍然適用。

這也說明宏觀世界和微觀世界之間的區別不只是能量的連續與否,還有物理學原理的適用性問題。

定域性原理的適用性範圍問題,宇宙的超光速膨脹問題,不僅僅是愛因斯坦的難題,也是哲學家和數學家的難題。

相關焦點

  • 相對論:光速不可超越,宇宙膨脹又可超光速,愛因斯坦自己打臉?
    愛因斯坦在1905年發表的《論動體的電動力學》中提出了狹義相對論,而狹義相對論的前提就是兩條基本假設:光速不變原理:光在真空中的速度c是一個常數,與光源的運動狀態無關。狹義相對性原理:一切物理定律在所有慣性系中均有效狹義相對論中所有推導出來的結果都是以這兩條最基本的假設為前提的,當然光速無法超越也是,因為狹義相對論中推導出來的質增效應會讓存在靜止質量的物體在接近光速時質量無限增加,進而讓速度在無法前進一步,因為推動物體前進的能量是有限的,它最終會停留在某個接近光速的位置。
  • 相對論:光速不可超越,宇宙膨脹又可超光速,愛因斯坦自己打臉?
    愛因斯坦在1905年發表的《論動體的電動力學》中提出了狹義相對論,而狹義相對論的前提就是兩條基本假設:光速不變原理:光在真空中的速度c是一個常數,與光源的運動狀態無關。狹義相對性原理:一切物理定律在所有慣性系中均有效狹義相對論中所有推導出來的結果都是以這兩條最基本的假設為前提的,當然光速無法超越也是,因為狹義相對論中推導出來的質增效應會讓存在靜止質量的物體在接近光速時質量無限增加,進而讓速度在無法前進一步,因為推動物體前進的能量是有限的,它最終會停留在某個接近光速的位置
  • 宇宙中超光速的困惑:宇宙膨脹與退行速度!
    哈勃定律中的退行速度與距離成正比,如果宇宙是無限的,當距離大到一定的時候,速度必定要超過光速。事實上,並不需要假設宇宙無限,在現今可觀測的距離範圍,退行速度已經超過光速。光速不變和光速不可超越,是狹義相對論的假設條件。其中涉及的距離及時間概念都需要在平坦的閔可夫斯基時空中來理解。
  • 目前的宇宙膨脹速度,超過光速了嗎?
    目前宇宙膨脹的相對速度,在遠距離上已經超過光速,但這並不違背相對論原理。愛因斯坦的相對論描述,在空間中運動的物體相對速度不會超過光速,但是這並沒有對空間的膨脹速度做限制;目前解釋宇宙起源和演化最好的理論,就是宇宙大爆炸理論。
  • 愛因斯坦明明說宇宙最快速度是光速,為什麼宇宙可以超光速膨脹?
    物理學從來都不缺跟風的人,偏偏就是愛因斯坦這個打破傳統框架的人締造了物理學神話,更是成了宇宙學的開山鼻祖。愛因斯坦的《狹義相對論》基於光速不變,才有了任何有靜質量不為零的物體,無法達到光速。而《廣義相對論》的場方程是描繪了宇宙膨脹,才有了後來宇宙膨脹速度超過光速,所以一切的種種都是由於「光速不變原理」的這個假設,如果沒有這個假設,也就沒有後來一大堆反常識的結論,也就不存在那麼多矛盾。麥克斯韋光速不變原理並非愛因斯坦胡編亂造,這還要從另外一個人說起。
  • 通俗的解釋愛因斯坦相對論到底說的是什麼?
    然而,著名的麥可遜-莫利實驗未能探測到地球相對於以太的運動,沒有人能解釋為什麼。當狹義相對論應用於光時,發現經典解釋出了點問題。因此,當愛因斯坦出現時,為該領域帶來了新的解釋。一個無質量的物體,如光子,可以以光速運動。(不過,光子實際上並不加速運動,因為它總是以光速運動。)但對於一個物理物體來說,光速是一個極限。物體在光速下的動能無窮大,所以無法加速到光速c。有人指出,一個物體在理論上可以以超過光速的速度運動,只是它沒有加速到這個速度。然而,到目前為止,還沒有任何物理實體顯示過這種屬性。
  • 如果速度超過光速會有什麼後果?會和相對論衝突嗎?
    從麥克斯韋到愛因斯坦麥克斯韋方程組中可以推導出光速是一個恆定值,所以光速也是可以被算出來的,而在以太漂移實驗中的零結果,洛侖茲解釋為運動方向上長度減少所致,但仍然堅持以太,結果十幾年後愛因斯坦直接拋棄了以太概念拿出了
  • 如果速度超過光速會有什麼後果?會和相對論衝突嗎?
    從麥克斯韋到愛因斯坦麥克斯韋方程組中可以推導出光速是一個恆定值,所以光速也是可以被算出來的,而在以太漂移實驗中的零結果,洛侖茲解釋為運動方向上長度減少所致,但仍然堅持以太,結果十幾年後愛因斯坦直接拋棄了以太概念拿出了狹義相對論,洛侖茲腸子都悔青了!緊接著質能方程也推導出來!
  • 這個例子可以解釋超光速現象,科學家:相對論無法否定超光速
    實際上,自從愛因斯坦提出狹義相對論後,大部分人認為沒有任何速度能夠超過光速,根據愛因斯坦提出的公式,如果一個物體的速度接近或達到光速,那麼這個物體的質量趨向於無窮大,能量也趨向於無窮大,這裡所提到的能量可是連原子彈氫彈爆照所迸發出的能量也不能比的.
  • 狹義相對論裡不可逾越光速極限是什麼?
    眾所周知,愛因斯坦的狹義相對論規定,真空中的光速是宇宙中一切物體運動速度的上限。根據狹義相對論公式,物體運動速度愈快,時間間隔愈大,空間間隔愈小,慣性質量愈大。假如物體運動達到光速,則運動物體時間將膨脹至無窮大,運動物體長度將收縮為零,運動物體慣性質量將達到無窮大。
  • 宇宙膨脹速率可以比光速快很多,為什麼愛因斯坦還說光速不可超越
    在膨脹期間,宇宙以指數形式膨脹,短短一秒內將一個極小的空間區域的結構拉伸得非常遠,遠遠大於今天可見的宇宙。任何兩個粒子看到對方後退的速度都會比光速快得多,這就形成了一個悖論:如果沒有什麼東西比光速還快,那麼宇宙膨脹是如何發生的呢?答案將會改變你對宇宙的看法。愛因斯坦的狹義相對論是20世紀最重要的進步之一。
  • 愛因斯坦是怎麼知道光速無法超越?達到光速時,時間就會靜止
    愛因斯坦是怎麼知道光速無法超越?達到光速時,時間就會靜止 愛因斯坦提出的狹義相對論向人類陳述了一個事實,他告訴我們,光速是這個宇宙中最快的速度,是僅能接近、無法超越的速度,值得注意的是,該理論是人們認識宇宙的基礎,也是科學家們普遍認同的理論,愛因斯坦的思想還表明,宇宙中的一切事物均以一個固定的速度在時空中運動,該速度名為光速,或許你會感到這種觀念十分怪異,實際上這也是人類在日常生活中無法觀側到相對論效應的原因
  • 宇宙中有超過光速的速度存在嗎?
    光速被認為是宇宙中的極限速度,任何物體都無法超越光速。但在現實生活當中,宇宙中卻存在著一些超光速的現象,打破了我們科學家們原有的認知。眾所周知,速度是代表物體運動快慢的一個物理量,從理論上來說,速度應該是無限的。
  • 宇宙中有超過光速的速度存在嗎?
    但在愛因斯坦的相對論中有這樣描述:「一個有質量的物體,它的速度是有限的,速度可以無限地接近光速,但是卻永遠都無法達到光速 為什麼光速不可超越? 對於光速不可超越的這一說法來源於愛因斯坦的狹義相對論,在狹義相對論中,任意一個物體的速度只能無限接近光速,無法超越。 也可以理解為,對於有靜止質量的物體來說,不管它的質量是多少,都只能無限接近於光速,但是不可能達到光速。
  • 有質量物體不可能達到光速,但宇宙膨脹超過光速,是否自相矛盾?
    的確,有質量的物體是不可能達到光速的這個結論來自於愛因斯坦的相對論,其中的光速不變原理和相對性原理結合得出的質量效應公式從數學上也說明了這一點:其中m為物體的質量,m0為物體的靜質量,V為物體的運動速度,C為光速,從式中可以看出:當m0≠0,VC時,分母根式0,則m+∞。
  • 宇宙膨脹速度可以超光速?狹義相對論受到前所未有的挑戰?
    這裡我重點要說明的是,愛因斯坦認為任何有質量的物體都不能超光速,即便是光這種靜止質量為0的物質,也只能等於光速而不能超光速,所以光速就是這個宇宙的速度上限。可惜實驗的結果是,所有的天體正在不斷的加速遠離我們,這太不可思議了,而且宇宙整個膨脹的速度,經過科學家精密計算後發現竟然超過光速。這不就與愛因斯坦的狹義相對論衝突了嗎?其實要解決這個衝突,你必須對速度有一個全新的理解,速度其實有兩個概念,一個是宇宙內物體的運動速度,一個是宇宙膨脹速度。
  • 相對論說有質量物體不能達到光速,宇宙膨脹超光速是否違反相對論
    相對論說的有質量物體不能達到光速指的是有質量的物體不能通過有限加速達到光速,這是根據光速不變原理建立的四維時空推理得到的。 愛因斯坦在提出狹義相對論時設定了一個公設——光速不變。根據光速不變可以建立了一個包含時間維度的四維時空,而在四維時空中,速度的極限就是光速!
  • 宇宙以3.3倍光速膨脹,人類註定永遠無法離開可觀測宇宙嗎?
    原來宇宙中的星系大都相對於銀河系快速離去,這種現象只能用空間膨脹來解釋。空間自身不斷膨脹,空間中的星系被迫互相遠離。早在哈勃定律發現之前,物理學家根據廣義相對論推導出弗裡德曼方程,再通過求解這個方程發現,宇宙空間不可能保持穩定。宇宙要麼在坍縮,要麼在膨脹,哈勃定律的發現支持了宇宙膨脹的觀點,宇宙大爆炸理論由此逐漸確立起來。
  • 為什麼光速被限定了?愛因斯坦早已預料,人類無法超越光速
    但其實不是這樣的,愛因斯坦曾經說過,一個有質量的物體,它的速度是有限的。物體進行運動,是可以無限地接近光速,但是卻永遠都無法達到光速。科學家表示,由於受到了限制,在宇宙當中,目前最快的速度就是光速。這樣就引起了很多人的質疑,究竟是什麼原因,使得人類一直無法超越光速呢?其實這個道理很簡單,愛因斯坦以簡單的話語,就解釋了這個問題。
  • 量子糾纏的速度超過光速了嗎?答案顛覆認知
    但其實大家都誤解了,光速不可超越只是信息傳遞不可超過光速,而與之無關的現象超過光速則並沒有什麼問題,那麼為什麼不能超過光速,又有哪些超過光速的現象,不妨來盤點下!為什麼不能超過光速?很多人一提到超光速就拿愛因斯坦的狹義相對論說事,但事實上狹義相對論的關鍵要素之一,洛侖茲變換來自於大神洛侖茲的傑作,他在1895年時提出了在運動方向上長度收縮的概念,來解釋1887年麥可遜-莫雷在以太漂移中的零結果!當然洛侖茲的解釋是令人信服的,但很可惜他仍然在死守以太的概念,儘管當時已經對於光速呼之欲出,但洛侖茲失之交臂!