我們都知道愛因斯坦認為任何物體不能超光速,這個是狹義相對論的基礎,狹義相對論有兩個前提:1物理規律在所有慣性系下保持一致,比如選A這個慣性系發現牛頓第二定律是F=ma,換成B這個慣性系牛頓第二定律依然是F=ma不變,所以物理規律不會因為慣性系變化而跟著改變,這個很好理解。2光在真空當中的速度恆定不變固定為C。
表面上看愛因斯坦只是做了以上假設得出了“狹義相對論”的全部內容,但是這兩個假設卻是暗含玄機。因為“光在真空當中的速度恆定不變”與牛頓的“速度疊加公式”衝突了,如何協調這兩者的衝突,答案只有一個:那就是認為我們的世界“時間”和“空間”是相對的。關於時間和空間的相對性我前面寫了5篇文章來介紹,如果不懂可以先去看看。
這裡我重點要說明的是,愛因斯坦認為任何有品質的物體都不能超光速,即便是光這種靜止品質為0的物質,也只能等於光速而不能超光速,所以光速就是這個宇宙的速度上限。
但是隨著哈勃望遠鏡的發明,人類發現我們的整個宇宙竟然是在不斷的膨脹,這非常讓人匪夷所思,因為按照牛頓的觀點,任何有品質的物體都有“萬有引力”,會把天體不斷的吸引起來。雖然宇宙大爆炸給予了所有天體一個初始的向外擴散的力量,但是這個力量在爆炸一瞬間就消失了,也就是說這個力量並不是可持續的作用在天體上。這就好比於我往上扔一個小球,當小球離開手的一瞬間雖然有一個向上初速度,但是由於手並沒有持續給予小球向上的力,所以小球會因為地球對其的“萬有引力”而慢慢向上減速,然後反向加速最終乖乖回到地面上。
所以宇宙大爆炸相當於是扔小球的人,而各個天體相當於是被扔的小球,雖然目前各個天體還在不斷的膨脹遠離我們,但是由於沒有後續的力作用在天體上,所以天體應該會因為“萬有引力”而不斷減速膨脹,最終反向加速,最後大家合併撞在一起才對。
可惜實驗的結果是,所有的天體正在不斷的加速遠離我們,這太不可思議了,而且宇宙整個膨脹的速度,經過科學家精密計算後發現竟然超過光速。這不就與愛因斯坦的狹義相對論衝突了嗎?
其實要解決這個衝突,你必須對速度有一個全新的理解,速度其實有兩個概念,一個是宇宙內物體的運動速度,一個是宇宙膨脹速度。宇宙內物體最大速度上限的確是光速沒錯,但是宇宙膨脹速度並非宇宙內的速度。
舉個簡單的例子,我之前談過引力波問題,當引力波突然經過一根木頭時,其實木頭的長度會被縮小或者放大,但是這種縮小放大效應在木頭旁邊的你是看不見的。為什麼呢,因為引力波和一般的波最大不同在於,引力波是在傳遞“時空”本身。有人可能會好奇,我在引力波到來前先用尺子測量這個木頭的長度,然後等引力波到來時馬上又去測量一次,如果兩次測量結果有差別,我不就看到了這種放大縮小效應了嗎?
其實你忽略了一個事實就是,引力波是在傳遞時空,當引力波經過地球時,木頭長度可能會變長,但是地球上所有物體都在同比例的變長,因為引力波到來時,是整個“空間”在發生變化,所以空間裡面的所有物體也會跟著同比例變換,所以你的尺子也跟著同比例變換,你測量出來的結果會顯示:木頭長度並未變化。
經過以上的例子分析,我們可以可以體會宇宙膨脹速度到底啥意思了,其實就是指整個空間都在整體的膨脹,這個速度和宇宙內物體的最大速度,完全是兩個概念。愛因斯坦所說的光速是最大速度,是指整個宇宙空間內所有物體速度,但是宇宙膨脹速度卻不是整個宇宙內,而是整個宇宙空間本身的速度。