天體 光速可以被超越嗎?在它面前,光速比蝸牛的速度還慢

光速不變原理
話說在1905年,愛因斯坦提出了四篇具有開創性的論文,分別是光電效應、布朗運動、狹義相對論,質能等價(就是有質能方程E=mc^2的理論,也是狹義相對論的一部分)。


天體 光速可以被超越嗎?在它面前,光速比蝸牛的速度還慢
文章插圖

在狹義相對論當中,愛因斯坦統一了時間和空間,他認為時間和空間不應該被分開來看,而應該統一起來看,并稱為時空。除此之外,在質能等價當中,愛因斯坦還統一了物質和能量,提出了質能方程E=mc^2。

天體 光速可以被超越嗎?在它面前,光速比蝸牛的速度還慢
文章插圖

到了1915年,愛因斯坦在狹義相對論的基礎之上提出了廣義相對論。狹義相對論適用于慣性參考系,也就是平直的時空。

天體 光速可以被超越嗎?在它面前,光速比蝸牛的速度還慢
文章插圖

而廣義相對論則適用于非慣性參考系,也就是彎曲的時空。

天體 光速可以被超越嗎?在它面前,光速比蝸牛的速度還慢
文章插圖

愛因斯坦發現,引力的本質其實就是時空的彎曲。萬物的運轉都是沿著四維時空的“測地線”方向在運動,也就是滿足牛頓第一定律。

天體 光速可以被超越嗎?在它面前,光速比蝸牛的速度還慢
文章插圖

以上就是極為“簡化版本”的相對論一些結論,那這么一個浩大的理論體系,愛因斯坦是如何構建的呢?其實他通過的就是兩條基本假設:光速不變原理和相對性原理。然后繼續做數學證明題一樣,把以上的結論一個個證明出來。
其中,光速不變原理可以通過一步步推導,得到物質、信息、能量傳播的速度極限是光速。
那宇宙最快的速度就是光速了么?
事實上,就像我們上文所說的那樣,光速只是物質、信息、能量傳遞的極限速度,但并不是說,宇宙中的速度極限就是光速。實際上,宇宙是一個很大的集合,這當中當然包括物質、信息和能量,但不僅限于此,還有時間,空間等等。而恰恰宇宙空間的膨脹速度就是可以超光速的。那具體是咋回事呢?
按照如今的觀測和理論,我們的宇宙起源于一次大爆炸,于是,宇宙的空間就開始隨著時間的流逝而膨脹。


天體 光速可以被超越嗎?在它面前,光速比蝸牛的速度還慢
文章插圖

在爆炸之后的第一秒內,宇宙的空間發生了劇烈的膨脹,翻倍了100次,尺度變成了原來10^30倍。相當于那個時候的宇宙看成是一個蘋果那么大,然后膨脹到可觀測宇宙那么大,再把可觀測宇宙看成蘋果,再變成可觀測宇宙那么大,可觀測宇宙的直徑是930億光年。因此,在這一秒內的宇宙膨脹速度是遠遠超過光速的,光速在這個速度面前幾乎是可以被忽略不計的存在。

天體 光速可以被超越嗎?在它面前,光速比蝸牛的速度還慢
文章插圖

當然,這樣的情況并不止是發生在宇宙大爆炸的初期,實際上,如今的宇宙膨脹,如果我們地球上來看,宇宙有很多地方的膨脹速度都應該是超光速的。那具體咋回事呢?這就要從宇宙膨脹說起。很多人理解的膨脹其實就是邊界在發生膨脹。但事實并非如此。宇宙膨脹更像是整體性的膨脹。


天體 光速可以被超越嗎?在它面前,光速比蝸牛的速度還慢
文章插圖

意思是說,每一細微的空間都有膨脹的趨勢,都在膨脹,是一個等比例放大的過程。因此,如果以我們為中心來看,其實四周的天體都在離我們遠去。因此,離我們越遠的天體,實際上遠離我們的速度就會越快,我們可以用哈勃定律來描述。不僅如此,科學家還發現如今的宇宙正在加速膨脹,所以,膨脹的速度還會愈演愈烈,不會有減緩。


天體 光速可以被超越嗎?在它面前,光速比蝸牛的速度還慢
文章插圖

當距離足夠遠時,那個位置上的天體的退行速度,或者我們說宇宙膨脹的速度就超過光速。因此,實際上宇宙中絕大多數的空間都是相對于地球在加速膨脹的,這些空間的天體,我們永遠都無法看到了。如今,我們理論上所能看到的范圍被稱為可觀測宇宙,它僅僅是宇宙很小的一部分而已。

天體|光速可以被超越嗎?在它面前,光速比蝸牛的速度還慢天體 光速可以被超越嗎?在它面前,光速比蝸牛的速度還慢
文章插圖

    推薦閱讀