当提到速度与控制的名言时,马里奥·安德烈蒂曾有言:“如果你自以为一切尽在掌握,那只是因为你的速度还不够快。”这样的话语,似乎与我们对宇宙的认知有着异曲同工之妙。在宇宙的尺度下,膨胀的浩渺空间似乎就在诉说着类似的哲理——我们所知甚少,所见更是有限。让我们一同探索这个话题,并思考其中的奥秘,你必定也会有过类似的困惑:
我们所处的宇宙正以一种加速的方式不断膨胀。简单来讲,星系相隔越远,彼此分离的速度就越快。这不禁让人想到,膨胀的速度是否已超越了光速?若真如此,岂不是与爱因斯坦的理论相悖?
今天,我们就来探讨这个似乎不合逻辑的问题。
让我们从光速讲起,理解一下接近光速意味着何物。
在宇宙的任一角落,无论物质的种类,移动的速度似乎都有着一个无法逾越的上限。或许你会认为,只要投入足够的能量,就能获得更高的速度……这话不假,但只在一定限度内成立。当你的速度还只是以几米/小时、几公里/小时,甚至像地球围绕太阳那样以几公里/秒的速度移动时,我们几乎不会察觉到以无限速度移动时所面临的障碍。
根据相对论,移动得越快,时间流逝得越慢。现在想象一下,你站在地球的表面上,与一个朋友相伴。朋友乘坐飞机进行环球旅行,在你们分别之前,你们将手表校准至精确的微秒级。
如果你们的手表足够精细,当朋友完成旅程归来时,你们的手表间便会产生微小的差异。你会发现,你的时间比朋友的要稍快一些,差异可能只有数十微秒,但这样的差距是可以通过精密测量来察觉的。移动速度越快,这样的差异也就越显著。
国际空间站的宇航员,每90分钟便能环绕地球一圈,对他们来说,时间的流逝会比我们在地面上的人慢上几秒;即便是传统的计时器,也会显示出时间的不同。为何传统计时器的时间也会放缓?不要忘记,万物皆由量子构成,物质的运动皆由基本力所驱动。例如:你拿起某物的力,其实是电磁力的作用,而传递电磁力的光子运动变慢了,你的动作自然也会减缓。
换言之,高速状态下的时钟走得较慢,这与时空本身有关。在空间中移动得越快,时间的流逝便越慢。时间与空间的联系正是通过光速来实现的。传递相互作用力的粒子最快的速度是光速,而当你的移动速度接近光速时,传递力的时间便会无限延长,相应的你的时间会趋于静止。想象一下,若身体内的相互作用力无法传递,生命与新陈代谢岂不是会变得无限缓慢。
这就是为什么μ介子,这种平均寿命只有两微秒的不稳定粒子,能在大气层顶部以近光速的速度产生,并能抵达地球表面。100公里的旅程,如果μ介子仅以光速移动2.2微秒,它只能通过0.6%的距离,然后便会衰变。但正因为相对论中的时间变慢效应,μ介子才能够穿越漫长的路途,触及我们的手掌。
那么膨胀的宇宙又如何?它为何可以超光速?
观察远方的星系,我们发现,星系距离我们越远,它远离我们的速度就越快。室女座星系团中的星系,距离我们约5000万到6000万光年,正以平均1200公里/秒的速度离去;后发星系团中约3.3亿光年远的星系,正以每秒7000公里的速度离我们而去。
我们看得越远,星系的撤退速度就越快。当然,这其中存在数百至1000公里/秒的微小波动,是由于局部运动和引力的影响,但在宏观尺度上,星系的确是在加速远离我们。这一现象最早由埃德温·哈勃在20世纪20年代发现,由此产生的哈勃定律,亦即宇宙膨胀定律,在数百亿光年的范围得到了验证。因此,宇宙的加速膨胀是确凿无疑的。
但光速这一无形的屏障,是否会阻止星系的撤退?当一个星系接近光速时,时间会逐渐停止,永远不会以低于零的速度流逝,否则星系的时间岂不是会逆流?
我们忽略了一个关键的问题。光速的极限,仅适用于空间中相对移动的物体。
相对论的核心在于“相对”二字!没有相对运动,便没有相对论,亦没有光速的限制。当你的朋友乘飞机离去时,他们的时间之所以会稍微慢一些,正是因为你们在同一地点再次相见。宇航员回到地球时,慢了几秒,那是因为你们在同一空间区域。即便是μ介子,以近光速移动,也是相对于地球的参照系,这使得其影响变得可见。
然而,遥远的星系并未真正移动。相反,是它们之间的空间在膨胀,但单个星系相对于其周边空间仍是静止的。
那么,我们如何确定星系并未移动,而只是空间在膨胀?
我们可以进行一项测试:通过观察遥远的星系,并测量它们的红移和距离,与相对论的预测进行对比,检验它们在极大的距离上如何移动。
相对论分为两部分:狭义相对论涉及平坦静态空间中物体的运动;广义相对论则描述空间如何随时间演变或收缩,物质和能量决定了空间的曲率。
红色虚线描绘着一个星系自身的舞蹈,与之相伴的黑线,则讲述着因空间膨胀而产生的距离和红移的故事。无尽的观测数据构建的乐章,在赞叹着广义相对论的精准,回荡在耳边的,是对静态宇宙模型的否定之声。
展望:宇宙的加速奔跑将引领我们走向何方?
将万物拼图拼合,哪怕在已知的宇宙图景中注入暗能量的奥秘,它对我们所处的膨胀宇宙,究竟意味着何种命运?
它意味着,岁月流转间,遥望星辰的光辉,会见到它们在光谱上染上愈发深沉的红,牵引出宇宙的红移现象。它揭示了宇宙的边际,有那么一些遥远的角落,距离我们之远,令其诞生之光,永远不会踏足我们的世界,未来亦是如此。现在,这个巨大的界限大约是460亿光年,也就是我们所能观测到的最远边界。
这意味着,超过140到150亿光年之外的区域,今天发出的光线,对我们而言,是一个永生的迷。同样,我们的世界对她们而言,也是遥不可及。在如今可观测的宇宙中,大约有4%的星系,仍与我们保持着微弱的联系,或是因果的纽带。而那些超光速离去的星系,即便她们此时正放飞光子,也注定与我们擦肩。
岁月长河中,一切被膨胀的宇宙所席卷的天体,皆在加速逃离我们的视线,愈发迅疾。若时光无垠,终有一日,它们的退缩速度,将超越光的速度。任我们如何努力,无论是疾驰的火箭,还是无尽的信号,甚至是光本身的速度,在理论上,都无法缩小那不可逾越的距离。
我都不想吐槽,就你哪一点点短暂的生命时间,就跟我说宇宙膨胀,