有人说物体的运动速度不能超过光速,那么宇宙的膨胀速度为什么大于光速?

在迈克斯韦方程组中,电磁波以带电粒子为传播介质,而带电粒子在宇宙中广泛存在。迈克尔逊莫雷实验在地球大气进行的,光以电离空气为传播介质,实验结果跟“以太”存不存在,没有联系。迈克尔逊莫雷实验结果证明了光在相同状态的电离空气中,传播速度不变,符合机械波的传播规律,迈克尔逊莫雷实验结果证明相对论是谬论。

多普勒效应:波源运动引起的红移现象,波速相对于观察者速度是不变的,相对于波源的速度为原波速+波源的移动速度;观察者运动引起的红移现象,波速相对于波源的速度不变,相对于观察者的速度为原波速+观察者的运动速度,光的红移现象证明了爱因斯坦的光速不变原理是错误的,电磁波的传播特点符合机械波的传播规律,电磁波的传播符合经典波动理论。

施郁

(复旦大学物理学系教授)

宇宙膨胀的速度不是一个信号从一个地方到另一个地方的速度,所以是可以超过光速的。

说不能超过光速,是因为如果信号从一个地方传播到另一个地方的速度,那么会违反因果率。因果律是说,如果一个事情A是另一个事情B的原因,那么B一定发生在A之前,不管实在什么参照系中。

这是狭义相对论的推论,不是狭义相对论的基本假设。狭义相对论的基本假设是:1. 物理定律在不同的惯性参照系中都成立,惯性参照系是惯性定律成立的参照系,惯性定律是说物体如果不受外力,就保持静止或匀速直线运动;2. 在不同的惯性参照系中,光速都是一样的。

那么, 怎么由狭义相对论得到不能超过光速的推论呢?考虑一个信号某个时刻从甲地出发,这是一个事件;另一个时刻到达乙地。在每个惯性参照系的观测者来看,这两个事件有时间之差T和距离之差D, 距离之差D除以时间之差T就是信号在这个参照系中的传播速度u。类似地,在另一个惯性参照系的观测这来看,这两个事件有时间之差T’和距离之差D’, 距离之差D’除以时间之差T’就是信号在这第二个参照系中的传播速度u’。然后,如果在第一个惯性参照系中的信号传播速度u大于光速,那么只要第二个惯性参照系相对于当前惯性参照系的速度足够大,即使小于光速,那么,在那个惯性参照系中,信号的传播速度u’是负的。也就是事件的时间顺序发生了逆转,也就是说先收信号,再发出信号。这当然是荒谬的。

但是宇宙膨胀不是信号的传播,所以大于光速不会违反因果律。

谢邀请!

原创思想,我只是觉得宇宙实在是大了,当我们所观察到的所谓宇宙边缘,己经是有几百亿光年外的时空了,而光速虽然是快的,但光速也不能一下子就可以跨越过了这几百亿光年的空间了,所以就会出现宇宙的膨胀速度,大于光速的这种说法了。因为我觉得宇宙的膨胀,是与空间的浩澣无边是有关的。也正因为我们永远也是不能够可以看得到宇宙的边缘,所以就会出现了宇宙膨胀的说法了。但宇宙又是不是真实性的膨胀呢?又或者说,我们在观察宇宙时,越是离开我们可视性范围的天体,它的速度就会变得越快了,而就会变得比光速还要快的而超越光速的,这样得出的观察结果,我就表示怀疑了。但是否的值得怀疑,就交给下面的专家,继续的讨论吧!

宇宙膨胀速度与宇宙内部传播的速度是两个不同的概念,就如同汽球膨胀的速度和汽球内部气体交流的速度是不一样的。前者的大小取决于宇宙内外部能量的对比,后者则取决于宇宙内部(空间)离散的量子密度和量子静质量的大小。光速是光子维持其空间势能的速度,与空间效应成反比。

我们被无数次科普过,说光速是速度极限,且这是我们宇宙的铁律,没有任何东西的速度可以比光速快云云。但接着天文学家用它们的观察结果向我们科普起宇宙的另外一种现实:有些星系正在远离我们,而且速度比光速还要快!这到底是怎么回事呢?

实际上:光速的不变性以及光速的极限只能在狭义相对论的宇宙观下才成立,而狭义相对论实际上是建立在理想的平直时空的时空观基础上的,并非是宇宙的真实样貌。广义相对论实际上并没有这个意思呢。我们详细来讲讲。

宇宙的膨胀的形式

首先,必须说明的是,我们确实生活在一个不断扩展的宇宙中。每天,星系彼此之间的平均距离越来越远。虽然在全宇宙大扩张的背景下,星系之间也会有一些小动作,例如仙女座星系正在像我们的银河系冲过来。但总的来说,在宇宙的整体宏观场景中,星系彼此之间的距离是越来越远的。

这种扩张的一个关键特征是其各向均一性。就像一群人站在一块弹性织物的边缘向外拉扯,而且拉的速度非常均匀、平稳。如果观察者就站在织物下方,他就可以观察到类似我们“宇宙”扩展的情形——织物上的花纹都在扩张,那些构成花纹的点都在相互远离

上图:宇宙膨胀的示意。

由于是可拉伸的织物,因此虽然织物上的对象都会以一定的速度移开,但是较远的对象从观察者的角度看起来会远离得更快。即使用力拉着织物往外走的一圈人都是以精确而恒定的速度在移动,拉伸的感官速度也会随着观察点的不同而不同——不管你在哪个点上观察,总是越远的花纹,被拉走的速度越快。如果不信,你可以自己找块弹力布料试试。但可能小布料的效果没那么好,而宇宙这块超级大的布料,这种效应就非常明显。这根本上的原因是布料上的每个点都在扩张所致。

宇宙怎么会以比光速还快的速度膨胀的呢?

埃德温·哈勃(Edwin Hubble)是第一个度量了宇宙扩张速度的科学家。但当时他通过观察获得的宇宙扩张的速度是不准确的,但却开启了一个关于宇宙现实的新的视角。现代的测量结论是:宇宙扩张速度是68公里每秒每百万秒差距左右(一兆秒差距就是100万秒差距,即326万光年)。

意思是:

  • 如果你看着距离我们1兆秒差距(326万光年)的星系,它将以68km/s的速度远离我们;

  • 如果你看着2兆秒差距的星系,它的后退速度就是136km/s;

  • 那么距离我们三兆秒差距的星系呢?——204公里/秒,乘法很简单是不是?

上图:哈勃法则的解释。

也就是说:对于每兆秒差距的距离,那个位置的天体的远离速度加一个68km/s即可。

因此,如果照此算下去,那么在某个距离上,星系远离我们的速度就会超过光速。用光速除以68/s乘以326万光年,我们就可以求出星系后退超光速需要的最大距离。但因为目前我们观察到的星系都已经有了膨胀的初速度,所以实际上星系后退超光速的距离不需要那么远。

同时,宇宙的加速膨胀也是我们已知宇宙的年龄仅为130亿年,而已知宇宙的半径却达到465亿光年的原因。如果宇宙不膨胀,那么宇宙的半径就应该是130亿光年了。

上图:可见宇宙直径。

相对论关于光速极限的宣称要这么理解

绝对速度极限为光速的概念来自于狭义相对论,但是没谁说过狭义相对论必需适用于全宇宙!在狭义相对论中,确实运动速度不能超过光速。但狭义相对论只是物理学的一个局部定律。用个形象的比喻也就是说,狭义相对论就像是某个国家的国内法,不能通用于全世界。

狭义相对论的局限性就是爱因斯坦在之后推出广义相对论的原因。巨大的宇宙和遥远的星系是广义相对论探讨的领域。广义相对论并没有限制物体在大尺度上的相对速度不能超光速,或者应该说并不关心遥远距离的相对速度问题。广义相对论探讨的是能量与宇宙几何结构之间的关系,速度似乎不是广义相对论探讨的对象。但就算如此,爱因斯坦的广义相对论场方程还把宇宙扩张的原因定义在里面了,虽然当时爱因斯坦并不知道那个参数是什么含义,这个定义就是爱因斯坦当时称为“宇宙学常数”的东西。但后来的科学家才通过观测逐步意识到这个宇宙学常数实际上对应着宇宙膨胀的能量来源,他们把它称为“暗能量”。

上图:宇宙距离地球不同距离的天体的视觉球面剖面图。距离越远红移越大,表示那个球面正在加速远离。而驱动这些的是遍布全宇宙的暗能量(注意解释为暗能量只是一种假说,也有其它的理论和说法)。


爱因斯坦当时对于宇宙膨胀的情形的了解不足,理解不够深刻,因为在广义相对论发表之后他才了解到了哈勃关于宇宙膨胀的观测结论,而且爱因斯坦一开始还拒绝了宇宙在膨胀的事实,但在后来又承认了自己的错误。正因为这种情况,广义相对论关于宇宙膨胀的事实的描述似乎有些先天不足。

广义相对论的“疏忽”

在广义相对论中,没有对“遥远物体的速度”的明确定义。其实在狭义相对论和广义相对论中光速不变性和光速极限都是有效的,也就是说两个物体不能以相对速度比光速更快的速度通过彼此。但在狭义相对论中,时空是固定的平坦的闵可夫斯基时空,我们可以选择一个全局参考系并将该规则扩展到远处的对象。但在广义相对论中,这种无限扩展变得不可能,因为在宇宙的不同的地方宇宙的几何是不同的,不能简单地扩展。因此,不在同局域的两个对象之间根本就没有“速度”的可比性,因为如果你试图测量两个遥远物体的相对速度,那么就必须将一个物体等效地平移到另一个物体的附近,但这个移动的过程完全取决于移动的路径,这路径上的情况就复杂了。生动的比喻就是:在平坦的广场上比较两个人的跑步速度是容易的,但是在起伏的山地或者洞穴中比较两个人的运动速度就很困难,因为地形也决定着他们的速度差异。

上图:宇宙大尺度上引力透镜中两束光线的路径是不同的,我们怎么比较光的速度呢?

虽然比较宇宙中两个星系的速度是不严谨的,但宇宙扩张的总体不断加快的趋势是客观存在的,这仍然可以给我们一个大体的认识,即宇宙扩张的速度是可以超光速的。

总结

宇宙膨胀的速度可以超光速,以目前科学界普遍的假说,这是由于暗能量在整个宇宙各向同性地推动所致。

首先不能超光速,是指有质量的物体运动速度不能超过真空中的光速。

当我们应用某个物理学规律时,必须注意它的限定条件和使用范围。如果违背了这两者,那么您就只能得到错误的答案或被自然现象所迷惑,认为它们毫无规律可言。

不能超光速这个限制,是来自狭义相对论。它指的是有质量的物体,不能进行超光速的运动,这是因为按照狭义相对论的推论,物体的运动质量并非固定不变,而是一个和速度有关系的变量。

图示:M为运动质量,m为静止质量,c为真空光速,v为运动速度。

随着物体运动速度的增加,其运动质量也随之增加,当它越来越趋近于真空中的光速时,其质量也将越来越大,这意味着驱动它加速需要的能量将越来越多,而当速度达到真空光速时,其质量将达到无限大,驱动它则需要无限多的能量,而这是不可能的,因此任何静止质量大于零的物体或粒子都不可能以光速甚至超光速前进。而光子之所以能以光速前进,那是因为它们的静止质量为零!注意这是指它们的静止质量。

必须再次提醒,这里的光速C,都是指真空中的光速。

超越非真空光速的超光速粒子是存在的

一旦脱离这个环境,进入其它允许光在其中穿梭的介质,比如空气、水和玻璃等,那么就会存在某些粒子的运动速度超过介质中的光速。因为光在这些介质中会减速,甚至大大减速,比如水中的光速只有真空光速的75%。实际上,当粒子的运动速度超过同样介质中的光速时,就会发出辐射,这种现象在上世纪四十年代被苏联物理学家切伦科夫发现,这就是著名的切伦科夫辐射(Cherenkov radiation)

图示:浸泡在水中的核反应堆中的切伦科夫辐射现象,这些漂亮的蓝光就是辐射的一种。这就是地球上最常见的“超光速”现象。

这种灿烂的蓝色光芒是核裂变产物穿过核心周围水域的副产品。当粒子从原子核裂变反应中被释放出来时,初始速度极高,甚至能超过水中的光速,即0.75C。于是,它们会以电磁辐射的形式释放能量,并减速。所释放的完整电磁波谱包含伽马射线、X射线、紫外线,甚至整个可见光谱直到红外线、微波和无线电波,都有可能。当然,在核反应堆中释放的粒子,辐射的主要是紫外线,只有少数辐射在蓝色可见光范围内。

空间的膨胀和狭义相对论无关,因此它的膨胀速度不受狭义相对论的限制

宇宙膨胀的基本规律是,离我们越远的星系远离我们的速度越快,而这个速度看来不受任何限制,所以 ,只要星系离我们足够远,那么它们远离我们的速度就能超过光速,这是因为空间本身在膨胀的缘故。

为什么空间会膨胀?

当前解释宇宙空间在膨胀的假说,就是著名的大爆炸理论或假说

在这个假说中,我们现在这个宇宙的空间、时间和物质都来自于这次大爆炸,宇宙起源于一个没有大小没有时间没有物质但拥有难以想象多能量的奇点,然后因为未知的原因,这个奇点“爆炸”了 ,这是一个类比。我们这个宇宙起源于大约137亿年前。

换一个角度看宇宙膨胀。从一个奇点,到如今大约900亿光年的可观察宇宙范围,只用了137亿年的时间,这本身也意味着宇宙的平均膨胀速度是以超光速的速度进行的。

而宇宙膨胀得最快的时期,是大爆炸之后的所谓暴涨期,在此期间,宇宙用10^-32秒的时间,扩大了10^78的体积,这是啥意思?这意思就是在时间几乎没有走动的瞬间,宇宙从大约1纳米的尺寸,扩张成了直径10.6光年的一个球体。此后,宇宙的膨胀大幅度减缓,但一直延续到现在。所以,光速这种东西,在宇宙曾经的暴涨速度面前相比,比蜗牛还慢。


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物质的运动是可以超过光速的,但是宇宙却是不存在膨胀的。

宇宙膨胀导致退行速度超光速这个问题,首先要解释一下什么是共动距离和故有距离。

共同距离——指的是不随宇宙膨胀而已变化的这一距离,因为测量度规和膨胀的空间是共动的,用于测量的尺子自身也在随着空间的膨胀而变长,所以不管怎么测,测量的都是原来的值。

固有距离——则用一把理想中的长度不会变化的尺子来测量,所以测出的距离应该是会变大。

宇宙学平时说的距离一般指的都是后者(固有距离),但是这个固有距离很难直接测量,因为所有东西都在膨胀去哪儿找一个固定不变的尺子,所以我们对于它的测量主要是靠光谱的红移来间接推算,因为红移量中的绝大部分都是由于宇宙膨胀导致的,也就是星系距离我们越远,由于中间的空间膨胀的越多,波长可以被拉长得越长,所以它的红移量就越大,当这个固有距离足够远时,对应红移量的话,也就是该天体的红移值足够大时,它的推行速度就会超过光速,这个红移值大概是1.67。目前观测到的各种类星体基本都是大于该值的,所以对于这些遥远的类星体来说,它们的退行速度已经大大超过了光速。

那我们为什么还能看到它们呢?甚至还可能看到更远的距离?

这是因为我们看到的光线其实是很久以前发出的,在那个时候这些天体还并不在今天这个位置上,而是相对于今天比较近的距离,但是当光发出后,虽然天体已经远离我们而去了,但是之前发出的光还是会从之前那个相对比较近的距离慢慢射向我们,直到被我们看到,只是这部分光线在过来的途中,由于空间膨胀导致波长被拉长了而已,所以说那些遥远的天体,它们并不会立刻从我们目光中消失,而是会随着波长的拉长,频率越来越低,直到无法被我们观测到。

这里所说的不超过光速是指在空间里运动的物体不超过光速,而宇宙膨胀是空间本身在运动。就比如吹起一个气球,上面两个点自动分开与一只蚂蚁从这点走到哪点之间的运动是不同的。

宇宙膨胀超光速之说是从,宇宙离开我们的速度与距离成正比推理出来的,因为离我们越远星系离开的速度越快,所以推理出在很远很远的地方光速会超过光速。

关于物理定律禁止超光速这件事,我们可以记住一句口诀:不存在超光速的信息传递。这句口诀可以帮你判断一切超光速现象的真伪。比如说拿一个手电筒照一束光从月球这边迅疾划过那边,从我们看来这个点也超过了光速。但是!这个光点无法把信息从月亮上的一点送到另一点。那只是一个光点而已。并不是月亮上真有一个什么东西在移动。

还有量子纠缠,两个粒子间瞬时的相互影响也并非是一个粒子携带了信息从这边到那边影响到另一个粒子。这个也不属于它们在空间中运动超过光速。

激谢邀请!宇宙膨胀的速度绝不能等于光速,否则在光海、光洋里,一切生灵将被烧毁。

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