4340 打破相对论的超光速宇宙【听从来搞】

超越光速，对很多人来说，可能都只是科学幻想，因为在一般的科普中都会告诉你，任何有质量的物质都不能达到或超过光速，这是违反相对论的，即便是没有质量的光和引力波最多也只能达到光速，不会超过光速。但其实，超光速在现代科学中非常常见。比如切伦科夫辐射，就是粒子速度超过了介质中的光速，而产生的一种特殊现象。光线在进入等离子体时的反常折射，体现了光的相速度，已经超越了光速。另外，在量子领域，有量子纠缠，单电子干涉，延迟选择实验，等诸多现象，也都有可能是超光速现象。众多的超光速现象中，有的只是超过了介质中的光速，而大多数则是确确实实地超过了真空中的光速。但是，通常这时候我们就会反复强调，所有这些超光速现象，都不能超光速地传递物质或信息，所以并不违反相对论。那么究竟有没有科学界公认的，可以超光速传递信息，甚至超光速传递物质的现象呢？答案是，有！那就是，我们的宇宙，我们的宇宙其实一直在超光速地膨胀。在上个世纪初，天文学家就利用天文望远镜发现了在银河系之外的许多星系都发生了红移现象。哈勃通过观测数据，计算出了哈勃常数H=67.80±0.77km/s/Mpc（百万秒差距）那么，这个哈勃常数是什么意思呢？咱们先来简单讲一下这个常数的单位，千米每秒每兆秒差距。千米每秒，大家应该都非常熟悉，这就是我们普通的速度单位，表示每秒钟跑多少千米。那么兆秒差距是什么意思呢？秒差距也是我们在天文上，描述宇宙遥远距离的一个常用单位。由于是用三角视差法根据观测可以直接测量出的一个值，所以经常应用于天文观测的数据中，一秒差距大概等于3.26光年。由于宇宙中的星系距离太过遥远，所以也经常用千秒差距或兆秒差距。兆就是百万，所以，咱们这个哈勃常数中的兆秒差距，就是百万秒差距，换算成我们更熟悉的光年，就是大约326万光年。所以，这个哈勃常数H=67.80±0.77km/s/Mpc的意思就是，每相距326万光年的距离，相互远离的速度就增加67.8千米每秒，误差是正负0.77千米每秒。现在，根据哈勃膨胀系数，我们就可以计算出，目前我们可观测宇宙的最远处，也就是距离我们465亿光年处，远离我们的速度就达到了96.7万千米每秒，而光速，是30万千米每秒，宇宙膨胀的速度，居然已经超过了3倍光速。这个可不是视觉误差，更不是什么猜想或假说，这是实实在在的，遥远的星系，在以超过3倍光速的速度，远离我们。宇宙的膨胀，已经是科学界公认的超光速现象，不掺一点水分。而且遥远宇宙中的星系等一切物质，也都是以超过三倍光速的速度在远离我们，是实体物质，实实在在地，以相对于我们三倍以上光速的速度，在超光速运动。那么，你可能会有一个疑问了，既然那些遥远的星系是在超光速远离我们，为什么我们还能够看到他们呢?其实有个最简单的例子，比如，超音速飞机，在超音速飞行时，或者超音速远离我们时，我们依然能够听到飞机的轰鸣声。这就是波的特殊性质，波的速度不会和波源的速度相叠加，也就是说声波光波等波，都不会因为波源快速靠近或远离我们而增大或减小它的速度，即使是波源远离的速度超过了波速，也不会影响波向我们的传播。飞机发出的声音，在远离我们时，声音会变得更低沉，这就是我们常说的多普勒红移现象。与之类似的，我们看到的遥远星系，也是存在着明显的红移现象。当然，遥远星系的红移和我们听到声音的红移，虽然很相似，但其实并不是同一种现象。我们听到远去的声音变低沉，是多普勒红移，是由于声源远离时，震动路径变长，从而使震动出的声波波长变长，也就是说声音的多普勒红移，是声音在发出的同时，声波就已经变长了，就已经有了一个固定的红移量。而遥远星系光线的红移，则不是多普勒红移，这种红移被称为宇宙学红移，遥远星系的光线，在发出时，波长并没有变长，这种红移，是光线在穿过遥远的宇宙空间时，由于宇宙的膨胀，而使光波的波长被拉长的，也就是说，穿过越遥远的宇宙空间，波长被膨胀的宇宙空间给拉得就越长。就像你在一个气球上画一条密集的，连续的曲线，然后把气球吹大，随着气球的膨胀，上面原本比较紧密的曲线，会变得越来越宽大，波长越来越长。这种红移，就被称为宇宙学红移。宇宙学红移并不是一个固定的红移量，而是随着距离的增加，红移量也在同步增加。好了，再说回我们的宇宙膨胀。其实不只是我们现在观测到的宇宙在超光速地膨胀，据科学家推测，我们的宇宙可能就是源于一次宇宙大爆炸，还有初期的宇宙暴涨，宇宙大爆炸或暴涨的速度，更是远远地超过了光速。如果你对科学有一定了解的话，此时肯定还会有一系列的疑问，那如果实体物质都已经超光速运动的话，不是就违反了相对论吗？超光速是不是会时光倒流，回到过去呢？先回答第一个问题，是否违反相对论，我们首先要了解，科学是有边界和适用范围的，而具体的科学理论，更是有边界的，有其特定的适用范围的。比如牛顿力学适用于我们生活中常见的低速情况，相对论适用于高速和大质量天体的情况。但相对论研究的是静止时空的宇宙情况，不论是高速运动，还是时空曲率，能动张量，不论是欧几里得空间，还是黎曼空间，都是在静止时空的背景中进行的计算研究，相对论并不适用于一个时空高速膨胀变化的宇宙，超光速的宇宙膨胀，已经超过了相对论研究的范围，所以，膨胀宇宙中的物质，他们在和周围时空同步运动时，物质之间的相对速度不论是接近光速还是超过光速，都不会产生时间变慢，长度变短等相对论效应。而时光倒流，回到过去，就更是不可能发生的现象了，这些只不过是科幻小说常用的题材罢了。另外，根据我们可观测宇宙的质量，可以计算出，我们的可观测宇宙，其实是小于史瓦西半径的，那就意味着，我们的宇宙，应该是在万有引力的作用下，塌缩成一个超级黑洞的，那么，为什么我们的宇宙，现在不仅没有塌缩成一个超级黑洞，反而还在以超光速向外膨胀呢？宇宙大爆炸和宇宙的超光速膨胀，它的动力又是来源于哪里呢？咱们以后再讲。如果大家对于本期内容感兴趣，或者还有什么疑问的话，欢迎大家在节目中留言交流。也可以在喜马拉雅，搜索科学空间，关注并订阅。谢谢大家！