宇宙膨胀速度真的大于光速吗?

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  关于宇宙膨胀,究竟是怎么来的,为什么现在科学家发现宇宙一定在膨胀呢?现在关于宇宙膨胀,有没有什么新的理论或者情况呢?

  首先呢,我们知道爱因斯坦在1915年提出了广义相对论。

  

  事实上呢,这个广义相对论对于物理学家来讲基本上是一个重磅级的突破,他是继狭义相对论之后又一门新的重量级的物理学科。爱因斯坦用度规来描述时空,并且时空的度规等于该时空附近物质的分布也就是能量动量张量。爱因斯坦并提出了他著名的场方程。

  然而在场方程当中爱因斯坦发现时空本身需要运动的。这意味着宇宙不可能保持静止,整个宇宙可能都在不断地向外扩张。这是违反他的世界观的,因为在当时的物理学家来看,宇宙本身是静止的。

  为了使宇宙保持静止,爱因斯坦加了一个常数项进去,这个常数项就是大名鼎鼎的宇宙常数。它使得原本在扩张的时空又重新缩了回来。

  我们可以想象时空的弯曲,用一个度规项来描述,它等于这个时空周围的物质分布(张量),随着物质分布的越来越多。时空的弯曲也就越来越明显,时空就会扩张。这时在方程的前半部分,加一个常数进去,这个常数是收缩的常数,那么时空就不会再膨胀了。

  

  爱因斯坦利用这种办法让宇宙变得静止起来,然而,随后一位科学家爱德温哈勃,突然发现宇宙其实确实在膨胀。他通过对宇宙星系的观测,发现宇宙在红移。红移是什么?就是多普勒效应中,远离我们的运动物体传回来的光颜色!靠近我们的叫蓝移。哈勃用这种办法证明了宇宙,可能在膨胀,爱因斯坦随后便承认错误。这也是爱因斯坦承认的他所犯的最大的错误之一。

  然而,没想到的是,一百年之后,物理学家发现宇宙常数可能真的存在。为什么存在呢,因为宇宙常数是一种相反的收缩力,它使得宇宙不膨胀,保持静止状态,但是,后来科学家通过对1a超新星的观测,最后发现宇宙膨胀的速度实在是太快了,仿佛有一股莫名的力,让宇宙反其道而行之,始终在加速膨胀。

  因此,科学家便猜测宇宙常数真的存在,但是这个常数是负数的。爱因斯坦,原本以为错误的理论,没想到在此时又变得正常了起来,他恐怕也想不到吧。 于是,最后科学家便给这膨胀的、莫名其妙的力取了个名字,叫做暗能量。

  

  超光速膨胀的宇宙中并不包含超光速运动。很多人错误地理解了宇宙膨胀,差之毫厘,谬以千里。

  解释起来会复杂,可以用橡皮筋类比宇宙膨胀。先说错误的理解:拉扯橡皮筋两端,橡皮筋不断伸长,要在一个方向超光速拉长橡皮筋,端点必须超光速运动。

  

  正确的理解:固定橡皮筋两端,在中间任意取两点,和橡皮筋垂直反向拉伸(如下图所示,拉伸为波浪形),此时,橡皮筋两端的位置没有改变,但是橡皮筋不断伸长,伸长的速度大于拉伸速度。实际上在橡皮筋的每一点都反向拉伸才是宇宙膨胀的模拟,手不够用,用任意两点拉伸示意一下。很显然,拉升点足够多时,用常规速度就可以使橡皮筋超光速伸长。

  

  (固定两端的橡皮筋,可以通过波浪形改变长度)

  为什么宇宙膨胀是第二种?宇宙中并没有一股力量拉伸宇宙膨胀。在宇宙空间中,会不断产生新的空间,空间的增加是宇宙膨胀的原因。宇宙中任意两点的空间位置并不会随着宇宙膨胀而改变,两点之间距离的增加是因为产生了新的空间,和橡皮筋第二种情况相同。

  既然宇宙膨胀是第二种情况,超光速远离的物体,实际上空间位置并没有改变,也就没有超光速运动的说法。这也是曲速引擎的理论基础:通过压缩和扩张空间可以实现“超光速”。

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