宇宙膨胀速度可以超光速?5个问题让你了解宇宙膨胀!

作者: Ethan Siegel

来源: 中科院物理所

发布日期: 2017-09-26

本文通过五个问题详细解释了宇宙膨胀的现象,包括宇宙膨胀的原因、速度变化、未来可能的发展以及星系移动速度与光速的关系。文章通过生动的比喻和科学数据,帮助读者理解宇宙膨胀的复杂性。

宇宙中遥远处的星系以极高的速度远离我们,在这个距离处,星系的数量非常多,规模较小,演化程度不高,与我们附近的星系相比,出现了巨大的红移。当我们望向无边无际的宇宙时,我们可以在数百万甚至是数十亿光年范围内找到各种各样的星系。人们可能能观察到两万亿个星系,宇宙中星系的数量、规模远远超乎人类的想象。

然而,最令人费解的一个事实是,我们观察到的所有星系,都遵循一个相同的规则:离地球越远的星系,以更快的速度远离地球,使两者的距离越变越远。这个发现是由哈勃和他的合作者于20世纪20年代发现的,这个发现使我们能够绘制宇宙膨胀的蓝图。宇宙膨胀是什么呢?科学家们也许都不知道,但是读完这篇文章之后你也会知道!

宇宙能膨胀成什么呢?

这个问题问得似乎很合理,因为所有膨胀的区域都是由宇宙中的物质构成的,并且存在于宇宙的时间和空间里。但宇宙本身就是时间和空间,它包含了所有的物质和能量。当我们说“宇宙在膨胀”时,我们的意思是宇宙空间在膨胀,这就使得我们看到星系和星系群相互之间慢慢远离。我有一个生动的例子,可以用来描述宇宙膨胀:把葡萄干放进生面团里,然后放进烤箱里烤,随着面团膨胀,葡萄干会慢慢的散开,分布于整个面包的各个地方。

我们怎么会知道是宇宙的空间膨胀呢?为什么不可能是不同的星系以不同的速度运动呢?如果你看到物体在各个方向远离你,这可能是因为你和这些物体之间的空间正在扩大,这是一种可能性。还有一种可能:你身处爆炸中心附近,周围的物体离你越来越远,因为它们从爆炸中获得了能量。

如果后一种可能性是真的,那么此时应有两个明显的证据:(1)远处和运动速度高的星系应该会比较少,因为随着时间的推移,这些星系会在空间中更容易扩散开。(2)距离远的地方的红移应该遵循某种特殊的形式,而这种特殊的形式和空间膨胀造成的红移有很大的差别。

宇宙总是以相同的速度膨胀吗?我们将其称之为哈勃常数,它只是宇宙空间的常数,但如果考虑了时间,它就不算一个真正意义上的常数。

此时此刻,宇宙膨胀的速度比以往任何时候都要慢。当我们提到“膨胀率”的时候,指的是速度与距离存在一定的关系:现如今,这个速度约为70公里/秒/ Mpc(“Mpc”指的是百万秒差距,长度单位,约为326万光年)。膨胀率取决于宇宙中所有不同事物的密度,包括物质和辐射。随着宇宙的膨胀,其内部的物质和辐射的密度会慢慢减小,随着物质和辐射密度的减小,膨胀速度也在下降。

宇宙在过去膨胀的更快,自热大爆炸后,宇宙膨胀才渐渐放慢了脚步。哈勃常数其实不是常数,将其成为哈勃参数可能更加合适。

宇宙会一直膨胀下去吗?还是有一天它会停止膨胀,甚至是坍缩?对于几代人来说,这是宇宙学和天体物理学的神圣问题之一, 它只能通过确定宇宙的膨胀速度以及它所呈现的所有不同类型 (和数量) 的能量来回答。

我们现在已经成功地测量出了宇宙中有多少正常物质,辐射,中微子,暗物质和暗能量,以及宇宙的膨胀率。结合物理定律和过去发生的事来看,宇宙可能会一直膨胀下去。这可能不是100%确定的,如果暗能量在未来的行为与过去和现在不同的话,那么我们所有的结论都将被改写。

星系的移动速度是否比光速还要快,不是说物体的运动速度不可能超过光速吗?

从我们的角度来看,我们和空间中任意一点的空间都在膨胀,离我们越远的星系,似乎以更快的速度远离我们。即使膨胀率很小,只要乘以足够大的距离,远离我们的物体的速度也会超过光速,速度之大远远超乎我们的想象。这样的情况并不违背相对论,物体的运动速度不能超过光速只适用于物体在空间中运动,它不能约束空间的膨胀速度。实际上,星系本身的移动速度只有数百或者数千km/s,远低于光速的3.0x108km/s。

星系移动只是表面现象,宇宙空间膨胀才是根源所在。

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