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yuan001|  楼主 | 2021-11-27 21:51 | 显示全部楼层 |阅读模式
宇宙的膨胀打破光速吗?
STARTSWITH A BANG — NOVEMBER 23, 2021
Ethan Siegel
在热大爆炸后仅138亿年,我们在各个方向能看到461亿光年远。这难道不违反...某些东西吗?
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一个膨胀的宇宙的视觉历史包括被称为大爆炸的热致密状态以及随后的结构的生长和形成。全套数据包括对轻元素和宇宙微波背景的观测,只留下大爆炸为一个我们都看到的一切的实在的解释。(Credit: NASA/CXC/M. Weiss)
关键要点
相对论的心法则是这个宇宙有一个速度限制光速,没有任何东西能打破。
然而当我们观察最遥远的天体时它们的光已经传播不超过138亿年,但出现远更远。
    这里是这怎样不打破光速的;它只打破我们的现实应该怎样行为的过时的、直觉的观念。
如果大多数人知道有一条关于宇宙的规则,那就是有一个最终的速度限制,没有任何东西能超过:真空中的光速。如果你是一个大质量的粒子,你不仅不能超过这个速度,而且你永远不会达到它;你只能接近光速。如果你是无质量的,你别无选择;你只能以一种速度穿过空时:如果你在真空中光速,或者如果你在一种介质中速度会更慢一些。你穿过空间的运动越快,你在时间中的运动就越慢,反之亦然。没有办法回避这些事实,因为它们是相对论所基于的基本原则。
然而,当我们远望宇宙中遥远的天体时,它们似乎蔑视我们对逻辑的常识方法。通过一系列精确的观测,我们确信宇宙正好是138亿岁老。到目前为止,我们看到的最遥远的星系目前距离我们320亿光年远,我们看到的最遥远的光对应于一个目前461亿光年外的点,即使我们今天以光速发送一个信号,我们永远不能到达超过约180亿光年的星系。
然而,所有这些都没有破坏光速或相对论定律。它只打破我们的东西应该怎样行为的直觉观念,这里是每个人都应该知道的关于膨胀的宇宙和光速的信息。
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不是一个空的、空白的三维的网格,而是把一个质量放下来造成本来是"直线"的线被一个特定的量弯曲。在广义相对论中,我们将空间和时间视为连续的,但所有形式的能量包括但不限于质量都贡献到空时曲率。此外,由于宇宙的膨胀,未绑定天体之间的距离随着时间演变。(Credit:Christopher Vitale of Networkologies and the Pratt Institute.)
"什么都没有"能比光速行进得更快"实际上意味的
没有什么能比光速行进得更快是真的。但这实际上意味着什么呢?大多数人当他们听到它时会想到以下想法。
当我观察一个物体时,我能跟踪它的运动,观察它责任那样随时间位置变化。
当我看到它时,我能记录它的观察到的位置和我观察它的时间。
然后,通过用速度的定义 ------它是距离的变化除以时间的变化------我能得到它的速度。
因此,无论是观察一个大质量的还是无质量的物体,我最好观察我得到的速度永远不会超过光速,否则这将违反相对论定律。
这在我们的大多数共同体验中都是正确的,但不是普遍真实的。特别是所有这些都包括一个我们几乎从未想过的假设,更不用说状态了。问题中的假设呢?
这个空间是平坦的、没有弯曲的和不变的。这发生在欧几里得空间中:当我们思考我们的三维宇宙时我们通常设想的空间类型。我们大多数人都设想做某些比如在我们所看到的一切之上放下一个三维"网格",然后尝试用一组四个坐标来描述位置和时间,每个坐标对应于x、y、z和时间维度的东西。
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给定足够的时间,一个遥远的天体发出的光将到达我们的眼睛,甚至在一个膨胀的宇宙中。然而,如果一个遥远星系的退去速度达到并保持在光速之上,我们能永远不能到达它,即使我们能接收来自它遥远的过去的光。.(Credit:Larry McNish/RASC Calgary)
換句話說,我們大多數人都理解狹義相對論的基本概念------沒有什麼能比光速移動得更快的部分------但不能评价真正的宇宙不能僅靠狹義相對論被準確的描述。相反,我们需要考虑到宇宙有一个支撑它的空时动力学的织造,只有通过那个空时运动的天体才服从狭义相对论的定律。
在我们共同的概念中没有概括的是空间的织造怎样脱离这个理想化的、平坦的、三维的网格,其中每个连续的时刻都被一个普遍适用的时钟描述。相反,我们必须认识到我们的宇宙服从爱因斯坦广义相对论的规则,这些规则规定空时怎样演化。特别是:
空间本身能膨胀或收缩,
空间本身能要么是正的要么是负弯曲的,不仅是平坦的,
而且相对论定律适用于天体随它们移动通过空间而不是空间本身。
换句话说,当我们说"没有什么能比光移动得更快"时,我们意味着"没有什么能比光通过空间移动得更快",但天体在空间中的运动并不能告诉我们关于空间本身怎样演变。或者,我们只能断言在空时中,相对在同一位置的另一个天体或事件没有什么比光速移动得更快。
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埃德温·哈勃(Edwin Hubble)的原始星系距离对红移(左图)的图,建立膨胀的宇宙对一个来自大约70年后更现代的对应物(右)。与观察和理论一致,这个宇宙正在膨胀。.(Credit: E.Hubble; R. Kirshner, PNAS, 2004)
太空不以一个速度膨胀
因此,没有什么比光穿过太空更快,但关于空间本身变化的方式呢?你可能已经听说过我们生活在一个膨胀的宇宙中,我们已经测量了空间织造本身膨胀的速度:哈勃常数。我们甚至已经精确的测量了这个速率,并且从我们进行的所有测量和观察能确定目前日子的膨胀速率恰好在66到74 km / s/ Mpc之间:公里/每秒/每百万秒差距。
但空间正在扩张意味着什么呢?
对于一个遥远的、未绑定的离我们每326万秒差距(约326万光年)远的天体,我们将看到它从我们身边退去,宛如它正在以等于66-74公里/秒的速度远离我们一样。如果某物距离我们20百万秒差距,我们预计会看到它以相当于1320-1480公里/秒的速度正在远离我们,如果它是5000百万秒差距远,我们预计它会以约330000-370000 km / s的速度移动远离我们。
但这正在令人困惑,原因有二。首先,它实际上并没有以这种速度穿过空间移动,而是天体之间空间膨胀的效果。第二,光速是299792公里/秒,那么这个假设的约5000百万秒差距远的天体实际上不是正在以超过光速的速度远离我们吗?
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膨胀宇宙的"葡萄干面包"模型,其中相对距离随着空间(面团)膨胀而增加。任何两个葡萄干彼此相距越远,观察到越大的红移将是光被收到的时候。膨胀的宇宙所预测的红移-距离关系在观测中诞生出来了,并且与一路回到自1920年代以来的一致。(Credit:NASA/WMAP Science Team.)
我喜欢来思考膨胀宇宙的方式是用"葡萄干面包"模型。想象一下,你有一个里面全是葡萄干的面团,想象一下面团现在发酵:向各个方向扩张。(如果你愿意,你能进一步想象这在零引力环境中正在发生,比如在国际空间站上)。现在,如果你把手指放在一个葡萄干上,你会看到其它葡萄干在做什么?
离你最近的葡萄干似乎会慢慢远离你,因为它们之间的面团会膨胀。
离得更远的葡萄干似乎会更快地离开,因为它们和你之间有比距离较近的葡萄干更多的面团。
而甚至更远的葡萄干似乎会越来越快地离开。
现在,在我们在这里的类比中,葡萄干就像星系或被束缚的星系群/星系团,面团就像膨胀的宇宙。只是在这种情况下,代表空间织造的面团不能被看见或直接探测到,实际上并没有随着宇宙膨胀而变得更不那么密,只是为葡萄干或星系提供一个居住的"舞台"。
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虽然由于随宇宙膨胀它的增加的体积物质和辐射变得更不密,但暗能量是一种空间本身固有的能量形式。随着新的空间在膨胀的宇宙中被创造出来,暗能量密度保持不变。(Credit: E. Siegel/Beyond theGalaxy)
膨胀率取决于在一个给定空间体积中"物质"的总量,因此随着宇宙膨胀它会稀释而膨胀率下降。因为物质和辐射是由一个固定数量的粒子组成的,随着宇宙的膨胀和体积的增加,物质和辐射的密度都会下降。辐射密度的下降速度比物质的密度更快一点,因为辐射的能量被它的波长决定,随着宇宙的膨胀,这个波长也会延伸,导致它失去能量。
另一方面,"面团"本身在空间的每个区域都包含一个有限的、正的、非零的能量,随着宇宙的膨胀,能量密度保持不变。当物质和辐射密度下降时,"面团"(或空间)本身的能量保持不变,这是我们观察为暗能量的。在我们真实的宇宙中,其包含所有这三个,我们可以自信地得出结论,宇宙的能量预算在最初的几千年里被辐射所支配,然后在接下来的几十亿年里被物质支配,然后被暗能量所支配。据我们所知,暗能量将继续永远主宰宇宙。
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宇宙的预期命运(前三个插图)都对应于一个其中物质和能量的组合与初始膨胀率作斗争的宇宙。在我们可观测到的宇宙中,一个宇宙加速被某种类型的暗能量造成,这是迄今为止无法解释的。所有这些宇宙都被弗里德曼方程规制,弗里德曼方程将宇宙的膨胀与它之内存在的各种类型的物质和能量联系起来。.(Credit: E. Siegel/Beyondthe Galaxy)
现在,这里是棘手的部分。每次我们观察一个遥远的星系时,我们都正在看来自它的就像现在它的光:当到达时。这意味着发出的光会体验一系列的组合效应:
从它被发射的地方到它到达的地方引力势之间的差异,
发射天体通过它的空间的运动和吸收天体通过它的局部空间的运动中的差异,
以及宇宙膨胀拉伸了光的波长的累积效应。
值得庆幸的是第一部分通常非常小。第二部分被称为特殊速度,范围能从数百到每秒几千公里不等。
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这个简化的动画显示在膨胀的宇宙中光的红移以及未绑定天体之间的距离怎样随时间变化。请注意,这些更近出发的天体比在它们之间旅行所需的时间量更少,由于空间的膨胀光红移,两个星系最终比它们之间交换的光子所走的光旅行路径要远得多。(Credit:Rob Knop.)
但第三部分是宇宙膨胀的影响,在超过约100百万秒差距的距离时它始终是主导效应。在最大的宇宙尺度上,宇宙的膨胀才是最重要的。重要的是要认识到扩张毕竟没有一个内在的速度。空间以一定频率扩张:表达它为每秒每百万秒差距的公里数的某些量模糊"公里"和"百万秒差距"是距离,如果你将一个转换为另一个距离它们将取消。
来自遥远天体的光确实真的被红移,但并不是因为任何正在比光退去更快的东西,也不是因为任何比光膨胀得的快的东西。空间只是扩张,它是我们以一个"速度"硬塞进去的,因为这是我们熟悉的。
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无论今天的膨胀速度如何,结合在你的宇宙中存在的任何形式的物质和能量将决定红移和距离怎样在我们宇宙中于星系外天体相关。(Credit:Ned Wright/Betoule et al. (2014))
在我们加速的宇宙中什么实际上在加速?
我们有的一个困难是我们实际上不能测量远处天体的速度。我们能通过各种代理来测量它的距离,比如它多亮/微弱或者它在天空中出现多大小,假设我们知道或能弄清楚它本质上有多亮或多大。我们还能测量它的红移,或者如果我们处于精确的位置并且在发射光的相同精确条件下它会是的光怎样被"移位"的。这种转变,因为我们熟悉波怎样由于多普勒效应(例如声波)移动是某些我们往往将转化为一个衰退速度的。
然而,我们没有正在测量一个实际速度,我们正在测量运动的累积效应加上膨胀宇宙的影响。当我们说"宇宙正在加速"时我们实际上意味------这毕竟不是你会直觉的------的是如果你随宇宙膨胀观察同一天体,它不仅会继续增加与你之间的距离越来越远,而且你从这个天体接收到的光将继续显示不断增加的红移, 这标志着它宛如正在加速远离你一样。
然而,在现实中红移是由于空间的膨胀而不是星系越来越快地远离开你。如果我们要随着时间实际测量膨胀率它仍在下降并最终将逐渐接近到一个有限的、正的和非零值,这是它意味生活在一个暗能量主导的宇宙中的。
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我们可见宇宙的大小(黄色)以及我们能达到的量(洋红色)。可见宇宙的极限是461亿光年,因为这是一个发射了光会刚好今天到达我们的天体将在从我们离开138亿年后有多远的极限。然而,超过大约180亿光年,即使我们以光速向它行进我们也永远不能进入一个星系。(Credit: Andrew Z. Colvin and Frederic Michel, Wikimedia Commons; Annotations: E. Siegel)
因此在一个膨胀的宇宙中是什么决定"距离"呢?当我们谈论膨胀的宇宙中一个天体的距离时,我们总是在拍摄一个宇宙快照------一种"上帝的眼光"------在这个特定的时刻当来自这些遥远天体的光到达时事情是的。我们知道我们正在看这些天体就像它们在遥远的过去一样,而不是它们今天在大爆炸后大约138亿年是的,而是像它们发出今天到达的光时那样。
但当我们谈论"这个天体有多远"时,我们不是在问当它发出我们现在看到的它的光时离我们有多远,也不是在问光在传输中已经走了多长时间。相反,我们正在问这个天体如果我们能以某种方式"冻结"在这个非常时刻的宇宙的膨胀它离我们有多远。观测到的最远星系GN-z11在134亿年前发射了它的现在到达的光,位于大约320亿光年之外。如果我们能一路看回大爆炸的那一刻,我们将看到461亿光年远,如果我们想要知道最遥远其光线尚未到达我们但有一天会到达我们的的天体,这是一个目前距离我们约610亿光年:未来的能见性极限。
但是,仅仅因为你能看到它并不意味着你能到达它。任何目前距离我们超过180亿光年的天体仍然会发光,光将穿过宇宙旅行,但空间的织造只会太无情的膨胀以至于它永远不能到达我们。随着每一刻的流逝,每个未绑定的天体都会越移越远,而以前可到达的天体会越过那个标记变得永远不能到达。在一个膨胀的宇宙中,没有什么比光移动的更快,这既是祝福也是诅咒。除非我们弄清楚怎样克服这一点,否则除了最近的星系之外所有星系都可能永远超出我们的范围。
https://bigthink.com/starts-with-a-bang/universe-speed-of-light/

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LED2013 2021-11-28 17:15 回复TA
大自然的力量不可琢磨 

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