爱因斯坦说 光速不可超越 可宇宙为什么在超光速膨胀 (爱因斯坦说光是连续的又是不连续的)

admin 2024-12-05 36 0

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爱因斯坦说:光速不可超越,可宇宙为什么在超光速膨胀?

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。

爱因斯坦说 光速不可超越 可宇宙为什么在超光速膨胀 (爱因斯坦说光是连续的又是不连续的)

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 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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宇宙的膨胀速度是否大于光速?

首先结论是宇宙膨胀速度并不比光速快。

根据相对论可知,局域性物资速度不会超过真空中光速,就可以否定这个结论。

但为什么会有人出现宇宙膨胀速度比光速快的说法呢?

我们确实有一个宇宙膨胀速度这么一说,而且宇宙膨胀速度约为70km/s/ Mpc(Mpc指的是百万秒差距,长度单位,约为326万光年),这个速度的含义为:在每增加300万光年的距离上(或每过300万年),星系远离地球的速度增大67.80±0.77千米每秒。

有单位上来看,光速单位是30万km/s(千米每秒),宇宙膨胀速度单位为70km/s/ Mpc,物理上单位不同是不能作比较的,虽然都是速度,但完全不是一回事。

而关于星系远离的速度的测量,是根据光的多普勒效应(v=v [(c+u)/(c-u)]^0.5)计算的,也就是光的红移现象。

另外,宇宙中发生光的红移现象有多种原因:

一是退行速度,也就是星系离开观察者的速度。

二是爱因斯坦的广义相对论现象,由于空间弯曲也会使得光线在宇宙空间传播损失能量,宇宙可能并非完全平直,所以在远距离时也有红移现象。

三是宇宙空间并非完全真空有极少量物质,如宇宙射线,宇宙背景辐射。

另外还可能存在暗物质,暗能量,光线在穿越亿万光年后,也会出现红移。

所以哈勃常数在是否可以推算宇宙边缘465亿光年外的速度上,没有充分完备的科学依据。

宇宙其实并不存在所谓的边缘,宇宙其实处处是中心,处处是边缘。

根据这个思想,如果宇宙膨胀速度会超光速,那么我们所在的银河系就已经超光速了。

如果是这样,爱因斯坦的理论就要变为光速是宇宙最低速度,所有物质运动的速度不可低于光速。

综上所述,宇宙超光速膨胀这一推理是错误的。

秒杀光速的三种速度

秒杀光速的三种速度分别是宇宙膨胀速度、量子传输速度、黑洞吞噬速度。

宇宙膨胀速度:是指宇宙从诞生到现在一直在不断膨胀,因此粒子为了跟上宇宙膨胀的速度,不得不加快速度,一些粒子运动的速度甚至超过了光速,这种现象被称为宇宙膨胀的速度,科学家发现宇宙膨胀的速度越来越快,而且宇宙正在不断地膨胀,太阳系外恒星发出的光无法到达地球。

量子传输速度:根据科学家的计算,量子传输的速度要远远快于光速,至少比光速高四个数量级,即光速倍,目前人类已经掌握了一些量子传输的技术,未来可能会使用这种技术传输人类。

但如果用于传输人类,存在巨大的伦理道德问题,因为量子传输并不是把原粒子传输过去,而是把原粒子的物理形态传输到另一粒子上去,这样原粒子就变成了量子形态。

黑洞吞噬速度:是指黑洞在吞噬附近物质时所需要的时间,尽管光的速度十分快,但黑洞的吞噬速度比光速还要快,这是因为黑洞是由密度无限大、时空曲率无限高、体积无限小、热量无限大的奇点和周围一部分空空如也的天区凝聚而成的。

真空中光速的数值

国际公认的真空中光速c的数值为с=米/秒,17世纪前,天文学家和物理学家以为光速为无限大,宇宙中恒星的光都是瞬时到达地球的,意大利物理学家伽利略首先对上述论点提出怀疑,为了证明光速的有限性,他在1600年左右曾做过粗糙的实验,但未获得成功。

1926年,美国实验物理学家A.A.迈克耳孙用旋转镜法改进了斐索实验,他用了一个八面体的转镜,测量的光速平均值为±4千米/秒,1929年,他又在真空中重复了上述实验,平均值为千米/秒,后来,有人用光电开关代替齿轮转动来改进斐索实验,称为克尔盒法。

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