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比科幻电影还奇特的科学超越光速的空间旅行

2018-11-01 11:22:29

比科幻电影还奇特的科学 超越光速的空间旅行

【科技讯】7月5日消息,宇宙学家都是聪明的时间旅行者。这些科学家能够回望数十亿年,来寻找我们宇宙演化的细节。如果光速是宇宙速度的极限,那么我们为何就永远也无法接触到来自那些时空区域的光子?如果确实如此,那么我们又是如何获知它们的存在的?

膨胀的宇宙

和物理学中的其他一样,我们的宇宙会尽可能地保持能量状态。但是在大爆炸后的大约秒,暴胀理论宇宙学家相信,宇宙存在于 伪真空能量 一种并不真实的能量低谷中。为了达到真正的真空能量低谷,宇宙在极短的瞬间内,像气球那样膨胀了1050倍。

自那时起,宇宙一直在膨胀,但速度大大放慢。我们从来自遥远天体的光线中可以看到膨胀的证据。来自恒星或星系的光子在穿越宇宙时,正在膨胀的空间会导致其能量丢失。这些光子在到达我们这里时,它们的波长会出现相应的红移。

这就是宇宙学家说红移是空间和时间双重距离效应的原因。来自这些遥远天体的光行进得如此长久,以至于我们终看到的天体是它们数十亿年前的样子。

哈勃体积

红移了的光能让我们看到诸如星系之类的天体在遥远过去时的样子;但是我们没有办法看到宇宙历史上发生的所有事件。因为宇宙在膨胀,来自某些天体的光仅仅因为这个天体过于遥远,便使我们永远也无法看到。

在物理学上,这个边界与一个围绕在我们四周的名为 哈勃体积 的时空区域有部分关联。在地球上,我们通过测算 哈勃参数(H0) 来定义哈勃体积,这个参数的值反映的是遥远天体因红移而表现出的退缩速度。对这一参数的首次计算是在1929年,当时埃德温 哈勃发现遥远的星系都好像在以与它们光线的红移成比例的速率远离我们而去。

将光速除以H0,得到的就是哈勃体积。在这个球状气泡包含的区域内,所有天体远离中心的速度都低于光速。与之相应的是,所有哈勃体积之外的天体远离其中心的速度都比光速快。

是的, 比光速快。 这怎么可能?

相对论魔法

答案与狭义相对论和广义相对论的差异有关。狭义相对论依赖 惯性参考系 简单说就是一个背景。根据这个理论,光速在所有惯性参考系上都是相同的。不管观测者是静坐在地球公园的长凳上,还是驾驶先进的高速火箭从海王星旁经过,光速都是相同的。光子离开观测者的速度一直都是每秒30万千米,而且他或者她永远也无法赶上。

而广义相对论对时空基本结构有自己的一套解释。这个理论中没有惯性参考系。时空自身之外的一切不会膨胀,因此光速作为一种对其速度的限制并不适用。是的,哈勃球体之外的星系远离我们的速度将超过光速。但是这些星系自身不会打破任何宇宙速度限制。对于身处这些星系中的观测者来说,没有任何违背狭义相对论的情况出现。急速增长并呈几何级拉伸的,是我们与这些星系间的空间。

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