宇宙能超光速膨胀且不违反物理定律

天文online

08-06 22:28 来自北京

🌌 宇宙超光速膨胀不违反现有物理定律

可观测宇宙的范围远远超出了以光年计算的其年龄，因为在遥远光线传播的过程中，空间本身已经膨胀了。然而，即使在这片广阔的区域内，一些星系也注定会永远从视野中消失。图片来源：Shutterstock

宇宙的膨胀使得宇宙距离远没有简单测量光传播的时间那么直观。

膨胀的宇宙让距离的定义变得困难，因为光在传播时空间一直在膨胀。天体持续发光，但当这些光向我们传播时，星系之间的平均距离在增加（是的，我知道有时星系会碰撞，但我们这里说的是平均情况，在大尺度上）。

当来自遥远星系的光经过数十亿年的传播最终到达望远镜时，它展示的是该星系过去的样子。它并不能直接告诉我们该星系现在有多远。为了估算其当前距离，天文学家会使用一种宇宙学模型，该模型会考虑光传播期间宇宙膨胀了多少。

主导模型被称为LCDM，它既包含暗物质（不同章节）又包含暗能量（不同章节）。其优势和局限性可以讨论（不同章节），但替代模型通常不会很大程度上改变基本图景。

膨胀拉伸了可观测宇宙

我们能看到的最大距离——也就是宇宙的年龄（137.7亿年）——由于宇宙一直在膨胀，大约是450亿光年远。这个距离根据你当时的表述习惯，被称为粒子视界、宇宙视界或共动视界。这就是我们可观测气泡的范围，也就是此刻、今天我们能看到的最大范围。

但是等等，45难道不大于13.77吗？这难道不意味着宇宙膨胀的速度比光速还快吗？

是的，是的，确实如此。

这没什么大不了的。

那是因为光速限制只适用于局部观测——我永远不会看到火箭飞船以超过光速的速度从我身边飞过。如果你认为这是某种作弊，那不是；这就是狭义相对论的构建方式。宇宙边缘的物体可以有任何速度，因为它们距离遥远。

🔴 红移揭示了更快的宇宙膨胀

事实上，我们可以计算任何物体的当前速度，这是通过红移实现的。如果一个星系正在远离我们，那么它的光就会向电磁波谱的红端移动。这正是埃德温·哈勃最初发现宇宙膨胀的方法。在膨胀的宇宙中，距离越远的物体退行速度越快，因为它们和我们之间有更多的空间在膨胀。

而物体退行速度超过光速的转折点，正好位于哈勃距离处，即137.7亿光年远。

⚫ 第二个地平线限制了未来的光线

我们仍然能观测到这些星系，因为到达我们这里的光在数十亿年前就开始了它的旅程，那时它们距离我们近得多。一些更远的星系也可能因为同样的原因随着时间推移变得可见。不过，存在一个被称为宇宙学事件视界的边界（它与黑洞的事件视界略有不同）。它位于约170亿光年之外。从该距离之外现在发出的光，无论我们等待多久都永远不会到达我们这里。

由暗能量驱动的宇宙加速膨胀使得这个极限更加显著。宇宙学事件视界会继续膨胀，最终稳定在约600亿光年左右。即便如此，我们也无法看到所有事物。来自最遥远星系的光会红移到极端波长，以至于这些星系实际上会消失。大约1000亿年后，本星系群之外的所有星系都将永远从视野中消失。

改编自最初发表于《对话》的一篇文章。