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这就是遥远的星系以快于光速的速度远离我们的方式

归档日期:11-21       文本归类:发射速度      文章编辑:爱尚语录

  如果望向遥远的宇宙,将会遇到数百万,数十亿甚至数百亿光年远的星系。平均而言,星系离您越远,离您越快。当您查看星系中存在的恒星的颜色以及星系本身固有的发射线和吸收线时,就会显示出来:它们似乎会系统地向红色移动。

  最终,您将开始查看距离太远的星系,以至于它们发出的光将严重地红移,以至于它们看起来会接近,到达甚至超过光速超过一定距离。这就是我们实际上所看到的事实,可能使您质疑有关相对论,物理学和宇宙的一切知识。然而,您所看到的是真实的。这些红移不是骗人的。这就是使那些遥远的星系如此严重地红移的原因,以及它对光速的真正含义。

  相对论是大多数人认为他们理解的东西,但是要小心,因为爱因斯坦的理论很容易被误解,这一点很重要。是的,这确实是宇宙中物体的极限速度:线 m / s。只有质量为零的粒子才能以该速度运动。任何具有真实正质量的物体的移动速度都只能慢于光速。

  但是当我们谈论受光速限制时,我们隐含地做出一个假设,即我们大多数人都没有意识到:我们所谈论的是一个对象在时空的同一事件中相对于另一个对象移动,表示它们在同一时间同一时间位于同一空间位置。如果您有两个时空坐标互不相同的物体,那么就会出现另一个绝对不能忽略的因素。

  除了相对于您当前正在占用的时空坐标发生的特殊相对论运动外,还有一种效果仅在您开始根据广义相对论思考时才会显示:时空本身的曲率和演变。

  狭义相对论只发生在未弯曲的静态空间中,而真正的宇宙却在其中具有物质和能量。物质/能量的存在意味着我们时空中的物体不可能是静止不变的,而是随着时空结构的演变,它们的空间位置也会随着时间而变化。如果您位于大质量物体附近,例如恒星或黑洞,则空间会弯曲,这样您就可以加速朝向该质量物体。即使没有相对于空间本身的运动,这种情况也会发生。空间的行为就像一条流动的河水或一条移动的人行道,在流动时将所有物体拖曳。

  在一个以大致均匀的方式充满物质的宇宙中,尤其是在最大尺度上,时空的变化适用于整个可观测宇宙的尺度。具体来说,均匀填充(在所有位置相同)和各向同性(在所有方向相同)的宇宙不能保持静态,而必须膨胀或收缩。

  当亚历山大弗里德曼(Alexander Friedmann)在1922年首次推导需要该解决方案的方程式时,对此并没有引起多少关注。五年后,乔治勒梅特(GeorgesLematre)完全独立,提出了相同的解决方案,他立即将其发送给爱因斯坦。爱因斯坦一收到它,就不会发现这件工作有什么毛病,但不能接受它的结论,著名地指出:“您的计算是正确的,但是您的物理学是可恶的。”但是他的物理学并不可恶。这是解锁宇宙的关键。

  大约在同一时期(即1910年代和1920年代),天文学家刚刚获得了对微弱而遥远的物体进行两项关键测量的技术能力。

  通过使用光谱技术,可以将来自物体的光分解成各个波长,天文学家可以确定特定原子的“可靠点火”特征:在特定波长处发生的吸收和发射线。基于这些光谱线向相同的总因子向红色或蓝色的系统性移位,天文学家可以测量一个遥远物体(如星系)的总红移(或蓝移)。

  通过识别远距离物体的特定属性,告诉您它的固有属性,例如恒星的固有亮度或星系的实际大小,以及视在亮度或视在角直径,天文学家便可以推断出该物体的距离宾语。

  通过结合两组科学家在1920年代末开始做的观察,得出了一个清晰的图样:测得的星系距离越远,其红移就越大。这只是大趋势,因为单个星系似乎在此总体趋势之上叠加了额外的红移和蓝移,但是大趋势仍然清晰。

  具体来说,出现的“额外”红移和蓝移始终与距离无关,并且对应的速度范围是每秒几十到几百到几千公里,但没有更快。但是,当您查看距离较近的星系两倍的星系时,平均红移是距离较近的星系的两倍。距离为10倍时,红移为10倍。这种趋势一直持续到我们愿意看到的距离,从数百万光年到数千万光年。

  如您所见,趋势是这种关系(在测得的红移和距离之间)对于非凡的距离继续存在。红移距离关系被称为哈勃定律(最近修订为哈勃-莱马特定律),但在哈勃发表之前由勒马特和霍华德罗伯森分别发现,它是有史以来最牢固的经验关系之一。

  这种趋势的标准解释包括每个对象固有的额外红移和蓝移,是每个对象的红移和/或蓝移有两个部分。

  红移-距离关系是宇宙整体扩展的原因,是造成大部分红移的原因,尤其是在远距离时。

  该分量是由于每个星系在空间中的运动所引起的,它解释了主要趋势线上的“额外”扰动,这是由于相对于空间扩展结构的特殊相对论运动所致。

  相对论的特殊运动很容易理解:它们引起光的波长变化,就像移动的冰淇淋车引起到达您耳朵的声音的波长变化一样。走向您的冰淇淋车将以一种压缩的,高音调的方式到达您的声波,类似于发出蓝光的光。当它离开您时,每个波峰之间都有更大的空间,因此听起来音调更低,类似于红移。

  但是空间的扩大起着更重要的作用,尤其是在更大的规模上。如果将空间结构设想为一个面团团,整个表面都带有葡萄干(代表着受重力约束的结构,例如星系),那么任何葡萄干都会将附近的葡萄干视为全向后退。但是,即使葡萄干并没有相对于面团移动,葡萄干越远,它退缩的速度就越快。面团在膨胀,就像空间的结构在膨胀一样,我们所能做的就是查看总的红移。

  如果您测量膨胀率的值,您会发现它可以用单位距离速度来表示。例如,从宇宙距离阶梯中,我们得出了H0的值,即膨胀率,即73 km / s / Mpc。(MPC约为326万光年。)使用宇宙微波背景或大型结构的特征得出的值相似但略低:67 km / s / Mpc。

  无论哪种方式,星系的视在衰退速度都将超过光速,这是一个临界距离:大约在13至150亿光年的距离。除此之外,星系的退缩似乎快于光,但这并不是由于实际的超光速运动,而是由于空间本身正在膨胀,这导致远处物体发出的光发生红移。当我们检查这种关系的复杂细节时,我们可以明确得出结论,“运动”解释与数据不匹配。

  宇宙确实在膨胀,我们之所以看到来自遥远物体的光如此严重地红移,是由于空间结构的扩大,而不是由于星系在空间中的运动。实际上,单个星系通常以相对较慢的速度在太空中移动:光速在0.05%至1.0%之间,仅此而已。

  但是,在扩展的宇宙的影响不可否认之前,您不必注视很远的距离-1亿光年就足够了。我们所能看到的最遥远的星系已经位于超过300亿光年远的地方,因为宇宙一直在不断扩展和伸展超远距离的光,直到它们到达我们的眼睛。随着我们从哈勃时代过渡到詹姆斯韦伯时代,我们希望将这一前沿推得更远。但是,无论我们能看见多远,大多数宇宙的星系将永远遥不可及。

  宇宙中所有超过一定距离的星系似乎都以比光速快的速度从我们后退。即使我们今天以光速发射光子,它也永远不会到达超出该特定距离的任何星系。这意味着今天在这些星系中发生的任何事件将永远不会被我们观察到。但是,这不是因为银河系自身的移动速度快于光,而是因为空间结构本身正在扩展。

  在您阅读本文的7分钟中,宇宙已经足够扩展,以致又有1500万颗恒星越过了这个临界距离阈值,永远无法到达。如果我们坚持对红移进行纯粹的相对论性解释,那么它们似乎比光速移动得快,这是在广义相对论得到充分确认的时代走的一条愚蠢之路。但这得出了一个更加令人不安的结论:在我们可观测的宇宙中包含的2万亿个星系中,即使以光速飞行,目前也只有3%可以到达。

  如果我们希望探索尽可能多的宇宙,那么我们就不能拖延。每时每刻,我们永远都无法再拥有一次遇到智慧生活的机会。

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