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

2021-01-09 新常新科技

#物理世界#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。

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!

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!

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