天体 光速可以被超越吗?在它面前,光速比蜗牛的速度还慢
光速不变原理
话说在1905年,爱因斯坦提出了四篇具有开创性的论文,分别是光电效应、布朗运动、狭义相对论,质能等价(就是有质能方程E=mc^2的理论,也是狭义相对论的一部分)。
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在狭义相对论当中,爱因斯坦统一了时间和空间,他认为时间和空间不应该被分开来看,而应该统一起来看,并称为时空。除此之外,在质能等价当中,爱因斯坦还统一了物质和能量,提出了质能方程E=mc^2。
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到了1915年,爱因斯坦在狭义相对论的基础之上提出了广义相对论。狭义相对论适用于惯性参考系,也就是平直的时空。
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而广义相对论则适用于非惯性参考系,也就是弯曲的时空。
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爱因斯坦发现,引力的本质其实就是时空的弯曲。万物的运转都是沿着四维时空的“测地线”方向在运动,也就是满足牛顿第一定律。
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以上就是极为“简化版本”的相对论一些结论,那这么一个浩大的理论体系,爱因斯坦是如何构建的呢?其实他通过的就是两条基本假设:光速不变原理和相对性原理。然后继续做数学证明题一样,把以上的结论一个个证明出来。
其中,光速不变原理可以通过一步步推导,得到物质、信息、能量传播的速度极限是光速。
那宇宙最快的速度就是光速了么?
事实上,就像我们上文所说的那样,光速只是物质、信息、能量传递的极限速度,但并不是说,宇宙中的速度极限就是光速。实际上,宇宙是一个很大的集合,这当中当然包括物质、信息和能量,但不仅限于此,还有时间,空间等等。而恰恰宇宙空间的膨胀速度就是可以超光速的。那具体是咋回事呢?
按照如今的观测和理论,我们的宇宙起源于一次大爆炸,于是,宇宙的空间就开始随着时间的流逝而膨胀。
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在爆炸之后的第一秒内,宇宙的空间发生了剧烈的膨胀,翻倍了100次,尺度变成了原来10^30倍。相当于那个时候的宇宙看成是一个苹果那么大,然后膨胀到可观测宇宙那么大,再把可观测宇宙看成苹果,再变成可观测宇宙那么大,可观测宇宙的直径是930亿光年。因此,在这一秒内的宇宙膨胀速度是远远超过光速的,光速在这个速度面前几乎是可以被忽略不计的存在。
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当然,这样的情况并不止是发生在宇宙大爆炸的初期,实际上,如今的宇宙膨胀,如果我们地球上来看,宇宙有很多地方的膨胀速度都应该是超光速的。那具体咋回事呢?这就要从宇宙膨胀说起。很多人理解的膨胀其实就是边界在发生膨胀。但事实并非如此。宇宙膨胀更像是整体性的膨胀。
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意思是说,每一细微的空间都有膨胀的趋势,都在膨胀,是一个等比例放大的过程。因此,如果以我们为中心来看,其实四周的天体都在离我们远去。因此,离我们越远的天体,实际上远离我们的速度就会越快,我们可以用哈勃定律来描述。不仅如此,科学家还发现如今的宇宙正在加速膨胀,所以,膨胀的速度还会愈演愈烈,不会有减缓。
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当距离足够远时,那个位置上的天体的退行速度,或者我们说宇宙膨胀的速度就超过光速。因此,实际上宇宙中绝大多数的空间都是相对于地球在加速膨胀的,这些空间的天体,我们永远都无法看到了。如今,我们理论上所能看到的范围被称为可观测宇宙,它仅仅是宇宙很小的一部分而已。
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