-
1 # 西北大學數53畢業
-
2 # 科學剃刀
宇宙膨脹大於光速是有約束條件的。
簡單說來就是距離每增加326萬光年,退行速度增加70公里每小時,當距離增加到160億光年以上的時候,時空的退行速度超過光速。
也就是說,此時,遠在160億光年之外的一顆恆星現在發出的光永遠到不了地球了,注意是現在不是過去,過去的光還是有可能到達地球的,因為在過去那顆恆星距離我們的距離尚不足160億光年。
-
3 # 優美生態環境保衛者
宇宙膨脹速度大於光速,恆星出發的光,豈不是永遠達不到下一恆星?
宇宙膨脹理論,是科學家根據接收到河外星系光線光譜的特徵推斷出來的。其實在太空望遠鏡發明之前,人類對宇宙的認知,基本是處於靜態宇宙的判斷,即雖然也有星體的執行,但是宇宙的總體空間尺度並不會發生實質性變化,認為宇宙空間是無邊無際的,星體的執行無非是在這個無限的空間中的內部運動而已。愛因斯坦接過牛頓萬有引力的接力棒,對維持宇宙執行規律的引力來源進行了深入闡述,認為質量引發了時空彎曲,所有物體都圍繞因質量產生的時空扭曲測地線進行執行,同時為了消除引力對靜態宇宙的影響,刻意在廣義相對論的引力場方程中加入了宇宙常數這個概念。
然而,哈勃透過長期的天文觀測,發現的結果與傳統的認知產生了格格不入的現象,那就是河外星系傳送到地球的光線,在光譜表達上有向紅端移動的趨勢,而且距離越遠,紅移現象越明顯。根據光譜的多普勒效應,當觀測目標遠離觀測者時,在觀測者看來的光譜中,呈現的是光線頻率減小、波長增大,反之則是目標靠近,光線頻率變大、波長減小。那麼,透過這個原理,哈勃確認了河外星系正在遠離地球的結論,而且距離地球越遠的星系,其遠離速度為越快。
這一現象讓愛因斯坦非常震驚,在親眼目睹了哈勃的觀測結果後,不得不推倒了引力場方程中的限制條件,將宇宙常數從中刪除,也就是說否定了靜態宇宙的觀點,說明宇宙是處於不斷擴張、有界無邊的狀態。而根據哈勃的研究,目標星系相對於地球的退行速度,與二者之間的距離成正比,這個比率是個常量,後來的人們將其定義為哈勃常數。在2013年時,歐洲航天局利用普朗克衛星,精確測算出哈勃常數值為67.80±0.77(km/s)/Mpc,這個數值代表的是在距離地球100萬秒差距(326萬光年)處,星系遠離地球的速度平均為每秒68公里左右。
根據哈勃常數,我們可以很輕鬆算出,在距離地球約144億光年處,現在目標星系的退行速度將達到光速,自現在起,來源於這個區域以外的光線將無法再到達地球。而考慮到宇宙膨脹的歷史,我們可以觀測到來自465億光年處的光線,也就是說在那裡的光線,原本可以用144億年的時間到達,只是由於空間的膨脹,拉大了光線所行經的路程,對應所需的傳播時間被放大了。
因此,我們常說的宇宙膨脹速度大於光速,是有先決條件的,那就是以地球為觀測中心,在判斷距離地球144億光年以外空間膨脹時所得出的結論。這裡有幾點需要說明一下,第一是這個宇宙的膨脹過程是空間的膨脹,並不攜帶任何資訊,所以可以超光速。
第二,空間的膨脹速度是以觀測點為中心,進行的速度疊加,這個過程可以與吹氣球相類比,吹氣球時,我們可以近似地把氣球上相隔同樣距離兩點的遠離速度確定為一個恆定值,比如相對速度為a,那麼以一個點為中心,與它相鄰的點遠離速度為a,與隔著一個點的第二個點的遠離速度為2a,以次類推,隔的點越多,遠離中心點的速度就越快。宇宙膨脹也是一樣,雖然以地球為中心,我們觀測144億光年外的星系遠離速度超越了光速,但是如果在144億光年處的星體看來,它周圍144億光年以內的星體遠離速度並沒有那麼快,在那個點將重新確定一個可觀測宇宙範圍。
第三,關於宇宙膨脹的驅動力問題。透過科學家們長期的觀測研究,認為宇宙現有組成中,暗能量和暗物質佔據了絕大部分的比例,其中暗物質和萬有引力推動星系的吸引聚集,暗能量推動星體間發生排斥,在宇宙大爆炸60億年之後,暗能量逐漸佔據了統治地位,推動宇宙加速膨脹。不過這個由暗能量驅動的演化過程,與宇宙尺度和物質分佈密度有直接關係,當宇宙尺度在百萬秒差距即326萬光年以內,以及星際物質分佈比較集中的區域,還是以萬有引力和暗物質提供的吸引力量為主。
從以上分析我們可以看出,恆星發出的光線能否到達另一顆恆星,與宇宙膨脹速度超過光速沒有必然的因果關係,只是其中衍生出來的假設性推論問題。
宇宙膨脹的超光速,並不是每個區域都是這樣的膨脹速度,需要以一個觀測中心為參照系,然後在144億光年外的目標,其遠離這個觀測中心的速度才有可能超光速。因此,如果對於兩個現在相距144億光年或者更遠的恆星來說,當然都無法接收到彼此發出的光線。而在此距離以內理論上都是可以的,而且,從一個星系來說,其尺度也就是幾十萬光年,其中又分佈著幾百幾千億顆恆星,每顆恆星在這樣的尺度下,萬有引力還是佔據主導地位,宇宙膨脹在星系內部甚至相鄰的星系間,都不會產生太大的影響,幾乎可以忽略不計。
-
4 # 看松讀畫軒
宇宙膨脹速度大於光速嗎?恆星的光能夠到達下一顆恆星嗎?
答案為:是,也不是!
宇宙的膨脹速度完全取決於你所觀測的空間距離。這看起來非常出人意料,宇宙並沒有一個固定的膨脹速度,只有單位空間距離的膨脹速率。
空間中相對接近的兩個點之間的距離可能在以每秒1000公里的速度膨脹,而相對遙遠的兩點之間的距離可能在以每秒50萬公里的速度膨脹。因此,恆星發出的光能否到達下一顆恆星,取決於它們之間的空間距離。
這是個令人費解的謎團:所有星系看上去都在退行,而且是以極快的速度離我們而去。沒有人能夠解釋它,直到20世紀20年代末,美國天文學家埃德溫·哈勃(Edwin Hubble)揭開了這個謎團。
1929年,哈勃在觀測河外星系時得到了一個令人吃驚的發現。任何方向上任何星系都在遠離我們,且星系距離我們越遠,它們的退行速度就越快。
當初哈勃並沒有精確地知道這些星系的退行速度究竟有多快、距離有多遠,但他做出了一個合理的結論:星系光譜的紅移不是由於那些星系真正在空間移動,其實質是宇宙空間自身正在膨脹,而且在各個方向上都一樣。
一、哈勃定律與膨脹速度哈勃透過觀測星系光譜的紅移,給出了星系的退行速度和空間距離之間十分確定的關係,建立了哈勃定律(Hubble"s Law)。
所謂譜線紅移,指的是星系在空間的運動產生了多普勒效應,如果星系離我們遠去,它們的光波頻率會變低,波長變長,看到的顏色偏紅,這是因空間膨脹導致的現象。這就是星光譜線紅移的緣由。哈勃的這個觀測結論被稱為20世紀天文物理學的一項偉大理性革命。
眾多的觀測資料表明,無論你朝哪個方向看,遙遠星系都在快速遠離,甚至星系光譜的紅移量的大小也不是隨機的,紅移量居然與星系離我們的距離成正比。
Vf=Ho·D
其中,Vf 為視向退行速度km/s;Ho 為哈勃常數 km/s/Mpc;D 為相對於觀察者(地球)的距離,常用單位是百萬秒差距Mpc (1 pc=3.26光年)。
相關資料顯示,2001年美國天文學家溫迪·弗里曼(Wendy Freeman)對室女星系團中造父星的距離進行測量,結果顯示的哈勃常數是72km/s/Mpc,誤差為10%。2013年的Planck衛星探測器的測定結果,將宇宙年齡修正為138.2億年,哈勃常數擴張率修正為67.3+-1.4km/s/Mpc。
2018年,一個國際團隊利用哈勃(Hubble)和蓋亞(Gaia)空間望遠鏡完成了一次測量,最新測量的哈勃常數為73.52+-1.6km/s/Mpc。也就是說,一個星系與我們的空間距離每增加一百萬秒差距(約326萬光年),其遠離地球的速度(空間的膨脹速度)就會增加73.52km/s。這裡實質是空間自身的增大速度,非星系運動的速度。這是對哈勃常數最新也是最精確的一次測量。雖然測量方法不同,其測量結果會有差異,但在宇宙尺度上,目前的測量結果是令人滿意的。
如何理解宇宙膨脹速度超光速顯然,“宇宙膨脹速度大於光速”的表達是馬馬虎虎的說法。那麼,膨脹速度究竟是否大於光速呢?
按照哈勃定律估算,空間中相對較近的兩個點的距離,比如太陽到地球的距離是1個天文單位,其空間距離增大速度只有約3.1x10^-7m/s(0.31微米/秒),由於太陽的引力作用,該數值實際上要小很多。
如果相對分散遙遠的另外兩個點之間的距離則有可能以超光速增大。據估算,大約距離地球145億光年之外的星系在超光速遠離我們。也就是說,只有遠於145億光年外的空間相對於我們在超光速向外膨脹。
現在我們知道,一個離我們145億光年距離的星系在遙遠過去發生的光線傳到地球時,由於空間膨脹,該星系此時的實際位置距離我們已經約有465億光年。因此,宇宙學上的可觀測宇宙(observable universe)實際半徑大約是465億光年(這裡以光年計的距離並不能等同到靜態的宇宙年齡來理解)。
三、恆星發出的光能否到達下一個恆星上述分析可見,超過145億光年空間距離的兩顆恆星,由於空間膨脹,它們發出的光永遠不能到達對方。那些145億光年距離以內的恆星發出的光線才可能到達下一顆恆星。
可以這麼說,距離地球145億光年之外的星系,不在我們人類的觀測範圍內。它們發出的光線永遠在前往地球的途中,永遠不能到達地球。僅僅145億光年距離以內的星系發出的光線仍可以傳遞到地球,遲早會被我們所觀測到(如果到那時地球還存在的話)。
天文學還告訴我們,由於光速太慢,可觀測宇宙是對人類觀測能力的一項基本限制。首先,無論望遠鏡的尺寸和能力有多大,都不能看到比145億光年更遠的地方是什麼樣子。第二,隨著宇宙年齡增大,可觀測宇宙不斷變大,每一年它的半徑都會增大1光年。不幸的是,最終可觀測宇宙增大的速度趕不上空間的加速膨脹,我們能夠“看見”的星系將越來越少。第三,毫無疑問,宇宙中的每一個位置或觀測者都是各自被“禁錮”在他們自己狹小的“可觀測宇宙”之內。
四、宇宙的未來目前的天文物理學理論和觀測表明,我們的宇宙很可能會繼續加速膨脹下去。星系之間彼此將分離得越來越遠,它們在大尺度上即使有相對移動也無法戰勝由於空間膨脹造成的相互間空間距離的增大。最後,宇宙中的每一個星系都將成為相互“看不見”鄰居的孤島,我們的夜空將越來越黑暗。
一些科學家相信,從星系到單個原子的所有物質都會被這種極端的空間膨脹所撕裂。即所謂的宇宙大撕裂(Big Rip)。所有物質將無序地彌散到空間中,遙遠的未來,宇宙或是一鍋越來越稀的基本粒子的“稀湯”。所有的粒子將分離得越來越遠,越來越冷。
甚至還有些科學家預言,大約10^40年以後,所有質子完全衰變,此刻的宇宙中僅剩下黑洞或輕子。而黑洞經過霍金輻射的形式緩慢蒸發,最終消失。宇宙中只剩下光子和中微子,宇宙徹底“冷寂”。
-
5 # 寒蕭99
這個問題在理解上可能有些錯誤。
首先,宇宙膨脹速度大於光速的時期是宇宙誕生的早期階段,隨後速度就開始下降。在宇宙誕生的最早時期,大約在宇宙誕生後10^-36到10^-32秒之間,其膨脹速度是最快的,可以達到光速的億萬倍。用宏觀世界最個比喻,大約宇宙由一個棒球大小瞬間漲到銀河系那麼大。這個時期被稱作暴漲時期。
在這之後,宇宙的膨脹速度開始減緩,但是這時還有一個問題,就是早期宇宙各種粒子剛剛誕生,而宇宙整體溫度非常高,這樣就使得光子不能獨立存在,而是與其他粒子耦合狀態,所以,那時的宇宙是沒有光的。
大約在30多萬年後,這時宇宙已經膨脹到非常大的程度了,溫度也降低了,於是光子脫耦,可以獨立存在,於是宇宙中才有了光,變得透明瞭。而這時,天體之間的距離已經和今天相差不多了。
因此,各個天體發出的光都是在經歷很久的時間之後才到達其他星系就比如我們看到100億光年外的天體,其實在100億年前就已經在那裡了,而現在的距離會更遠。
這樣也就造成了一個現象,宇宙中的一些區域,由於距離我們太過遙遠,所以經過了138億年的時間還未傳到我們這裡。
而今天,透過觀測得到的資料證明宇宙空間依然在膨脹,但由於空間是整體膨脹,所以描述膨脹的速度為距離每增加326萬光年,膨脹的速度就增加約67千米每秒。那麼也就是說在465億光年以外,空間膨脹的視速度就會超過光速。
因此,超過一定的距離以外的天體,其發出來的光將會永遠到不了我們這裡。
所以,題目中描述恆星與恆星之間的光達不到是不對的,因為恆星之間的距離比較近,不會受到空間膨脹的影響。但是星系之間,確實存在距離非常遙遠的星系,相互發出的光可能會永遠到不了對方那裡。
-
6 # 漫步科學
“宇宙膨脹大於光速,恆星出發的光,豈不是永遠達不到下一恆星?”
由哈勃定律可知,只有距離我們足夠遠的空間,其退行速度才會超過光速,如果小於這個距離,空間內天體發出的光線依然有機會抵達地球。
宇宙膨脹與可觀測宇宙現代科學推測,我們的宇宙誕生於138億年前的一場大爆炸,由於暗能量的作用,我們的宇宙空間處於急速的膨脹狀態,由此造成“鑲嵌”在空間內的大範圍天體也處於互相退離的狀態。利用現代天文探測手段,科學家計算出遙遠天體之間的退行速度變化率約為73km/(s·Mpc),也就是目前的哈勃常數,該數值表示當天體的距離與我們的距離每增加三百萬光年,其退離我們的速度便增加73公里每秒。
但值得注意的是,並非全部的天體都在遠離我們,因為宇宙中的天體還會受到引力的牽引,比如距離我們254萬光年的仙女座星系就在飛向我們,科學家預計仙女座與銀河系將在30億至40億年之後發生碰撞。
由於宇宙膨脹的影響,遙遠天體產生的訊號在傳向我們的同時,天體自身也在逐漸退離,而且天體與我們的距離越遠,其退離我們的速度越快。科學家計算發現,我們理論上能接收到的最遙遠的天體訊號其實是來自於465億光年之外的天體,這也是我們利用電磁波觀測的宇宙極限範圍,因此465億光年也是目前的可觀測宇宙半徑。
值得注意的是,可觀測宇宙並非我們所能看到的宇宙全部,這是因為隨著時間的流逝,更遠處天體的訊號在消耗更久的時間後依然會抵達地球,由於光速膨脹的限制,我們的可觀測宇宙範圍也會存在極限,這個極限就是由天體超光速退離我們所造成,一旦天體與我們直接的退離速度超過光速,即使消耗更久的時間,天體發出的訊號也是不會抵達地球的,所以我們也就不可能看到這個天體的存在,人類的宇宙也就被劃上了範圍,在今天這個被稱為“未來可見極限”的邊界大約距離我們620億光年。
恆星出發的光能否抵達下一個恆星和二者之間的距離有關我們知道可觀測宇宙是以觀測者為中心半徑約為465億光年的空間範圍,恆星發出的光能否抵達下一個恆星,需要看這兩個恆星之間的距離,與我們太陽距離最近的恆星是比鄰星,距離約為4.2光年,這表明由比鄰星發出的光線,需要約4.2年的時間就會抵達太陽系。
那麼什麼條件下恆星發出的光線無法抵擋距離其最近的恆星呢?其實由哈勃定律可以推測出,距離我們超過145億光年左右的天體,其退離我們的速度就會超過光速,也就是說當下時刻把比鄰星放在與距離我們145億光年之外,其發出的光線才會由於空間膨脹的影響無法達到我們。然而宇宙中的恆星在距離上是非常近的,一些雙星系統中的恆星距離甚至僅有幾個天文單位之遠,顯然這個距離下,空間膨脹產生的影響是微乎其微的。
總結由於宇宙膨脹的影響,距離我們足夠遠的天體,其退離我們的速度是有可能超過光速的,這也造成我們永遠只能觀測到宇宙中的一部分,也代表了遙遠恆星發出的光線是有可能永遠無法達到地球的情況,但是這些情況必須滿足天體與我們的距離足夠遙遠,同樣的道理,恆星之間產生的光線能否互相抵達對方,也取決於恆星之間的距離。
感謝瀏覽。
-
7 # 上善若水吳大河
所以說宇宙膨脹學說對現有的宇宙觀測不能做出很好的解釋,我們是時候改變思路,從新考慮我們的宇宙到底是什麼樣子了
回覆列表
這是兩個不同概念。光能否到達?取決於平均速度。只要平均速度小於光速,光就可以到達。當平均速度大於光速了,才傳不到。平均速度能大於光速嗎?無法肯定!也無法否定!