爱因斯坦说：光速不可超越，可宇宙为什么在超光速膨胀？

如题所述

爱因斯坦是人类历史上最伟大的物理学家之一，在上世纪初叶，他凭一己之力创立了现代物理学的两大支柱之一的相对论。

相对论中有很重要的一条物理准则就是：光速不可超越。

光其实就是电磁波。光速就是光在真空中的运动速度，是一个精确值，为299792458 m/s 。它是宇宙中的速度极限，任何物质的运动速度都不可能超越光速。并且，任何有质量的物体的运动速度都只能无限接近光速，在宇宙中只有那些静止质量为0的物质的运动速度才能达到光速，光子的静止质量就为0。

此外，光速与观察者和光源的运动速度无关，和光的传播方向也无关，这叫做光速不变原理。这一点从麦克斯韦方程组就能推导出来。这意味着，你扔出一个发光的手电筒，手电筒发出的光的速度并不会改变。

说到光速不可超越，有些人就不同意了，比如两人以60%的光速相向而行， 那么这两个人的相对速度岂不是达到了1.2倍光速。这看起来似乎很有道理，其实不然，因为在高速运动状态下，速度的合成要遵守洛伦兹变换。之所以这样，是因为高速运动的物体会对时空产生影响。只有在低速运动状态下，速度的合成才能符合伽利略变换。

科学家认为，我们的宇宙起源于一次特殊的大爆炸，宇宙最初是一个体积无限接近于零的奇点，爆炸后一直都在膨胀。宇宙诞生至今已经138亿岁了，经过漫长的膨胀，现在宇宙的直径至少为930亿光年。

细心的朋友可能都会发现一个问题，宇宙只有138亿岁，可直径却有930亿光年，那岂不是说宇宙的膨胀速度超过了光速。

既然光速不可超越，那为什么宇宙的膨胀速度能够超越光速？这不是自相矛盾吗？

但细心一想，科学家们如此聪明，学识渊博，肯定不会犯这种低级错误，必然是我们的理解出错了。

其实，整体上来看，宇宙的膨胀速度确实超越了光速。不过从局部来看，这些星系的运动速度并没有超过光速，只是遥远星系相对于银河系的退行速度超越了光速。如果从另一端观察银河系，你会发现银河系也在以超光速退行。

之所以产生这种现象，是因为宇宙空间处处都在均匀的膨胀。

这就好像吹气球一样，随着气球的膨胀，分布在上面的星系也会相互远离，只是靠得近的分离的比较慢，相距越远的分离的也越快。

打个比方，就拿一把100毫米长且布满刻度线的直尺来说，若直尺1秒内突然膨胀成200毫米长，那相邻刻度线间的距离就由原来的1毫米变为2毫米了，这意味着每条刻度线两侧的相邻刻度线都在以1毫米每秒的速度远离它。若你站在零刻度线观察，那么你会发现，离你越远的刻度线，远离你的速度也就越快，其中100毫米刻度线相对于零刻度线在1秒内移动了100毫米，而1毫米刻度线相对于零刻度线只在1秒内移动了1毫米。这就是均匀膨胀过程中因距离产生的速度叠加效果。

为什么科学家认为是宇宙空间在膨胀，而不是星系本身在向远处高速运动？这是因为远方的星系都在远离我们，并且各向同性，退行速度与距离成正，星系的运动不可能如此步调一致，这只能用宇宙膨胀来解释。其实，自从上世纪哈勃发现远方星系整体都在红移，就已经认定了是宇宙在膨胀，

根据科学家的观测，宇宙空间每百万秒差距（约326光年）上的膨胀速率约为70千米每秒。也就是说，星系和观察者之间的距离每增加326万光年，每秒相对于观察者的退行速度就会增加70千米。这个膨胀速率被叫做哈勃常数，这是为了纪念哈勃首先发现了宇宙膨胀。

若每百万秒差距（Mpc）换算成1光年，宇宙膨胀的速率就仅为2.1厘米每秒。而在光年这种小尺度空间里，引力才是主导力量，所以星系并没有因宇宙空间的膨胀而被撕裂。

不过，科学家通过长期的观测发现宇宙不仅在膨胀，并且在暗能量的作用下加速膨胀，这意味着宇宙膨胀的速率还会增加。如果这个趋势不变，未来不仅星系会被撕裂，整个宇宙都会步入大撕裂的命运。

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