宇宙膨脹非超光速？可見宇宙大於宇宙年齡？為何不違背相對論？

如果說大多數人對宇宙有一條普遍認知的規則, 那就是存在一個終極速度極限, 任何事物都無法超越真空中的光速。 如果你是一個有質量的粒子, 你不僅無法超越這個速度, 而且永遠也達不到, 你只能接近光速。 如果你沒有質量, 那就別無選擇, 你只能以一種速度在時空中運動, 在真空中是光速, 在介質中則是較慢的速度。 你在空間中的運動速度越快, 你在時間中的運動速度就越慢, 反之亦然。 這些事實無可辯駁, 因爲它們是相對論的基本原理。 然而,當我們觀測宇宙中遙遠的物體時, 它們似乎違背了我們基於常識的邏輯。 通過一系列精確的觀測, 我們確信宇宙的年齡恰好是138億年。 我們目前觀測到的最遙遠星系距離我們320億光年, 我們觀測到的最遙遠的光對應於距離我們461億光年的點, 而距離我們約180億光年以外的星系, 即使我們今天以光速發送信號, 也永遠無法到達。 然而,這一切都沒有違背光速定律或相對論, 它只是打破了我們對事物運行規律的直覺認知。 以下是每個人都應該瞭解的關於宇宙膨脹和光速的知識。 光速是這個宇宙的速度上限, 任何有靜止質量的物體其速度都不可能達到或超過光速, 這是愛因斯坦狹義相對論告訴我們的。 但這是爲什麼呢? 通常的解釋是這樣的, 物體速度越快, 其質量就會變得越大, 因而就需要更多的能量來對其進行加速。 物體的速度要達到光速, 就必須要無限的能量來加速, 而這個宇宙中無限的能量是不存在的, 所以不可能達到或超過光速。 完美! 沒錯,沒有任何東西的運動速度能超過光速。 但這究竟意味着什麼呢? 大多數人聽到這句話時會想到以下幾點, 當我觀察一個物體時, 我可以追蹤它的運動軌跡, 觀察它的位置隨時間的變化。 當我看到它時, 我可以記錄它的位置以及我觀察它的時間, 然後利用速度的定義, 距離變化量除以時間變化量, 我可以計算出它的速度。 因此,無論觀察的是有質量的物體還是無質量的物體, 我都應該確保我計算出的速度永遠不會超過光速, 否則就違反了相對論。 這在我們的大多數日常經驗中是正確的, 但並非普遍適用。 尤其值得注意的是, 所有這些都包含一個我們幾乎從未思考過, 更遑論明確提出的假設。 這個假設是什麼呢? 空間是平坦的,沒有彎曲的,並且永恆不變的。 這發生在歐幾里德空間中, 也就是我們通常想象的三維宇宙空間。 我們大多數人會設想在所見的一切之上放置一個三維網格, 然後嘗試用一組四個座標來描述位置和時間, 每個座標分別對應x,y,z和時間維度。 換句話說, 我們大多數人都理解狹義相對論的基本概念, 沒有任何東西的運動速度可以超過光速, 但卻未能意識到, 僅憑狹義相對論無法精確描述真實的宇宙。 相反,我們需要考慮到宇宙背後存在着動態的時空結構, 只有物體在時空中的運動才遵循狹義相對論的定律。 我們通常的認知中沒有涵蓋的是, 空間結構並非如我們想象的那樣, 是一個理想化的,平坦的三維網格, 其中每一刻都由一個普遍適用的時鐘來描述。 相反,我們必須認識到, 我們的宇宙遵循愛因斯坦廣義相對論的規則, 而這些規則決定了時空的演化方式。 具體而言,空間本身可以膨脹或收縮, 空間本身可以市正曲率或負曲率, 而不僅僅是平坦的, 而且相對論定律適用於在空間中運動的物體, 而不是空間本身。 換句話說,當我們說沒有任何東西的運動速度能超過光速時, 我們指的是沒有任何東西能在空間中以超過光速的速度運動, 但物體在空間中的運動並不能告訴我們空間本身將如何演化。 或者說,我們只能斷言, 在時空中的同一位置或同一事件中, 沒有任何東西的運動速度能超過光速, 它是相對於另一個物體而言的。 所以,沒有任何東西能在宇宙中超越光速, 那麼宇宙空間本身的變化方式又是什麼呢? 你可能聽說過我們生活在一個正在膨脹的宇宙中, 而且我們已經測量出了宇宙空間結構本身膨脹的速度哈勃常數。 我們甚至已經非常精確地測量了這個速度, 並且根據我們所有的測量和觀測, 可以確定目前的宇宙膨脹速度恰好在66到74公里每秒, 百萬秒差距之間,即公里每秒每百萬秒差距。 但是,宇宙空間正在膨脹意味着什麼呢? 對於距離我們每百萬秒差距的一個遙遠的,不受束縛的天體, 我們會看到它以相當於66到74公里每秒的速度遠離我們。 如果某個天體距離我們20百萬秒差距, 我們預計它就會以相當於1320到1480公里每秒的速度遠離我們。 如果它距離我們5000MPC, 我們預期它的速度會達到約33萬至37萬公里每秒。 但這令人困惑,原因有二。 首先,它實際上並非以如此高的速度在太空中運動, 而是物體間空間膨脹造成的。 其次,光速爲29萬9792公里每秒, 那麼這個假設的距離約5000MPC的物體, 其遠離我們的速度難道不是超過了光速嗎? 我喜歡用葡萄乾麪包模型來理解宇宙膨脹。 想象一下,你有一團麪糰,裏面佈滿了葡萄乾。 現在,麪糰開始膨脹,向各個方向擴散。 現在,如果你用手指按住一顆葡萄乾, 你會看到其他葡萄乾在做什麼。 離你最近的葡萄乾看起來會慢慢地遠離你, 因爲它們之間的麪糰在膨脹。 離你較遠的葡萄乾看起來會更快地遠離你, 因爲它們和你之間隔着更多的麪糰, 而離你更遠的葡萄乾看起來會越離越遠。 在這個比喻中,葡萄乾就像星系或星系團, 而麪糰就像正在膨脹的宇宙。 只是在這種情況下,代表空間結構的麪糰既看不見也不能直接探測到。 隨着宇宙膨脹,它的密度實際上並不會降低, 它只是爲葡萄乾提供了一個舞臺。 宇宙膨脹的速率取決於給定空間體積內物質的總量, 因此隨着宇宙膨脹,物質會逐漸稀疏,膨脹速率也會下降。 由於物質和輻射都有固定數量的粒子構成, 隨着宇宙膨脹和體積增大,物質和輻射的密度都會下降。 輻射密度的下降速度略快於物質密度, 因爲輻射的能量由其波長決定, 而隨着宇宙膨脹,波長也會拉伸,導致輻射能量損失。 另一方面,麪糰本身在每個空間區域都包含有限的, 正的、非0的能量,並且隨着宇宙膨脹, 這種能量密度保持不變。 雖然物質和輻射的密度下降, 但麪糰本身的能量保持不變, 這就是我們觀測到的暗能量。 在我們真實的宇宙中,包含了這三種元素, 我們可以自信地得出結論, 宇宙的能量構成在最初的幾千年裏主要由輻射主導, 接下來的幾十億年主要由物質主導, 此後則主要由暗能量主導。 就我們目前所知,暗能量將永遠主導宇宙。 現在,棘手的部分來了。 每次我們觀測遙遠星系時, 我們看到的都是它發出的光, 也就是它到達我們時的光線。 這意味着,這束光會受到一系列因素的綜合影響, 從發射點到到達點的引力時差, 發射天體在其空間中的運動 與吸收天體在其局部空間中的運動之間的差異, 以及宇宙膨脹的累積效應。 這種效應會拉伸光的波長。 幸運的是,第一個因素通常非常小, 即使在宇宙中最嚴重的過密和欠密區域, 其影響也只有百萬分之幾。 第二個因素被稱爲特殊速度, 它取決於天體在其宇宙歷史中 所經歷的局部引力場。 實際上,這些特殊速度的範圍 可以從每秒幾百公里到幾千公里, 已知的最大特殊速度接近光速的約百分之二, 即大約六千公里每秒。 但第三部分是宇宙膨脹的影響, 在距離超過約一百兆秒差距的地方, 它始終是主導因素。 在最大的宇宙尺度上, 宇宙的膨脹纔是最重要的。 需要注意的是, 宇宙膨脹本身並沒有固有的速度, 空間膨脹的頻率是單位距離的膨脹速度。 如果用每秒每兆秒差距的公里數來表示, 就會忽略公里和兆秒差距都是距離單位, 而且如果將其中一個單位轉換成另一個單位, 它們就會相互抵消。 來自遙遠天體的光線確實會發生紅移, 但這並非因爲有物體以超光速遠離, 也不是因爲有物體以超光速膨脹。 空間只是單純的膨脹, 其膨脹速度與宇宙所擁有的整體能量密度成正比, 並且與時間的流逝成正比。 事實上, 物體本身無需在空間中移動即可發生這種情況, 因爲膨脹的是物體之間的空間, 物體本身相對於它們所佔據的空間保持相對靜止。 我們之所以會想到這些物體的退縮速度, 僅僅是因爲我們根據自身經驗熟悉這種速度。 在我們這個加速運轉的宇宙中, 究竟是什麼在加速運轉? 我們面臨的一個難題是, 我們實際上無法測量遙遠物體的速度, 我們可以通過各種替代指標來測量它的距離, 例如它的亮度暗度, 或者它在天空中看起來的大小, 前提是我們知道或能夠計算出它本身的亮度或大小。 我們還可以測量它的紅移, 也就是光線相對於我們身處光線發射的精確位置 和相同條件下所觀測到的光線的偏移程度。 由於我們熟悉多普勒效應引起的波的偏移, 這種偏移通常被我們轉化爲退星速度。 然而,我們測量的並非實際的速度, 我們測量的是運動的累積效應以及宇宙膨脹的影響。 當我們說宇宙正在加速膨脹時, 我們真正的意思是,這完全出乎你的意料, 如果你觀察同一個天體,隨着宇宙膨脹, 它不僅會離你越來越遠, 而且你接收到的來自該天體的光線 也會持續呈現不斷增大的紅移, 這讓你感覺它似乎正在加速遠離你。 然而,實際上,紅移是由空間膨脹造成的, 而不是星際加速遠離你造成的。 如果我們實際測量宇宙的膨脹速率, 會發現它仍在逐漸減小, 最終會趨近於一個有限的、正的、非0的值。 這就是生活在暗能量主導的宇宙中的意義所在。 那麼,在不斷膨脹的宇宙中, 什麼決定了距離呢? 當我們談論宇宙中某個物體的距離時, 我們其實是在捕捉宇宙的瞬間, 一種上帝視角展現宇宙在這一特定時刻的狀態, 也就是來自遙遠物體的光線到達我們時的景象。 我們知道,我們看到的是這些物體在遙遠的過去, 而不是它們在大爆炸後約138億年後的今天的樣子, 而是它們發出今天所見光線時的狀態。 但是,當我們談論這個物體有多遠時, 我們並不是在問它發出我們現在所見的光線時距離我們有多遠, 也不是在問光線傳播了多久。 相反,我們是在問, 如果我們能夠以某種方式凍結宇宙的膨脹, 那麼在這一刻,這個物體距離我們有多遠? 觀測到的最遠星系GN-Z11, 其如今抵達我們眼前的光芒是在134億年前發出的, 距離我們約320億光年。 如果我們能夠回溯到宇宙大爆炸的瞬間, 我們將看到461億光年之外的景象。 如果我們想知道目前距離我們最遠, 但未來終將到達的天體, 它目前的距離約爲610億光年, 這就是未來的可見極限。 然而,即便你能看到它,也不意味着你能到達它。 任何目前距離我們超過180億光年的天體仍然會發出光芒, 這些光芒也會在宇宙中傳播, 但空間結構會持續不斷地膨脹, 使其永遠無法到達我們。 隨着時間的流逝, 每一個不受束縛的天體都會離我們越來越遠, 曾經可以到達的天體也會越過這個界限, 永遠變得遙不可及。 在不斷膨脹的宇宙中, 沒有任何東西的運動速度能超過光速, 這既是福也是禍。 除非我們找到克服這一問題的方法, 否則除了距離我們最近的星系之外, 其他星系可能永遠都無法觸及。 2023年7月, 悉尼大學和奧克蘭大學兩位天文學家 通過對來自宇宙早期的類星體光變信號的監測分析, 發現這些信號到達地球時的持續時間 比起在宇宙早期產生時的持續時間延長了5倍。 這樣的觀測結果, 很多人可能會理解成現在的時間 比早期宇宙流逝得更快。 真的是這樣嗎? 我們應當如何正確理解這一研究結果呢? 20世紀初, 天文學家發現地球周圍遙遠的星系在遠離我們, 並且距離地球越遠的星系, 遠離地球的速度越大。 如果認爲地球在宇宙中所處的位置並無特殊性, 或者說認爲宇宙是各項同性的, 這樣的圖景在其他星系上也能觀測到。 也就是說, 所有星系都彼此相互遠離, 這就意味着, 我們身處的宇宙正在膨脹。 一個膨脹的宇宙無法被直觀想象出來。 作爲類比, 我們可以想象一個正在膨脹的氣球上佈滿很多隻小螞蟻。 當氣球膨脹時, 任意一隻螞蟻都會發現, 其周圍的螞蟻小夥伴正在遠離它。 這樣的結果, 正是螞蟻所在空間膨脹所導致的。 膨脹宇宙的觀測結果, 表明我們的宇宙不是自古以來保持靜態不變的, 而是動態變化的。 需要注意的是, 宇宙膨脹效應只有在跨越足夠大的空間尺度後才能顯現出來。 在較小的局域區間的束縛體系內, 物質不會隨着空間的膨脹而膨脹。 例如, 我們知道, 在一個膨脹氣球上的螞蟻, 其身體作爲一個自我束縛體系, 不會隨着氣球的膨脹而膨脹。 類似的, 宇宙局域範圍內的天體, 自身不會隨宇宙的膨脹而膨脹。 例如, 我們的地球、太陽、銀河系等天體, 都沒有隨着宇宙的膨脹而膨脹。 即使對更大尺度的星系團, 有星系構成的自引力束縛體系, 也不會隨着宇宙的膨脹而膨脹。 在我們所在的星系團中, 銀河系與近鄰的仙女座星系, 不但沒有相互遠離, 反而由於引力吸引正在靠近。 因此,要探索宇宙的膨脹效應, 需要在宇宙足夠大的空間尺度上進行。 要觀測宇宙深處的天體, 需要該天體在觀測時有着足夠的亮度。 這對於遙遠的天體來說, 要求其自身的光度很高。 有一種稱爲異性的超新星, 其爆發時在短時間內釋放巨大的能量, 並具有相同的最大光度和相似的光度曲線。 天文學家曾利用這類超新星 在局域宇宙中探測到宇宙膨脹效應。 然而,在更遠的距離上, 超新星很難被觀測到, 難以研究更遙遠宇宙的情況。 類星體是一種更加遙遠而又明亮的天體。 這類天體中心的超大質量黑洞 通過襲擊周圍物質 向外釋放巨大的能量。 許多類星體距離地球都非常遙遠, 其發出的光傳播到我們這裏, 往往需要百億年。 也就是說, 我們在地球上觀測到的這些天體的光 是百億年前早期宇宙時期所發出的。 這樣遙遠的天體, 爲我們追溯宇宙的過去 研究宇宙歷史演化提供了可能。 類星體中央黑洞在襲擊周圍物質的過程中, 由於襲擊盤的不穩定性, 光度往往會發生變化, 從而在觀測上呈現亮度明暗的閃爍。 鑑於類星體光病信號往往來自宇宙早期, 天文學家通過在地球上 記錄這些閃爍信號的持續時間, 來追蹤宇宙的膨脹歷史。 2023年7月, 悉尼大學和奧克蘭大學兩位天文學家 研究了190個類星體的光病信號, 其中每個類星體的光病 在過去20年裏在多個波段都被觀測到數百次。 統計分析顯示, 觀測到的這些類星體的光病信號 比其在宇宙早期產生時的持續時間 延長了5倍。 從效果上看, 這就像一個信號, 由原本發射時短促的D大, 延緩爲接收時悠長的D大。 如果在遙遠類星體上記錄一段1分鐘的視頻, 並通過電磁波經過120億年 傳送到地球被我們接收, 我們現在播放這段視頻時, 看到的是一組慢鏡頭, 播放完這段視頻需要5分鐘的時間。 來自過去信號的時長在我們收到時 已延長了5倍, 好像現在的時間比過去的時間流逝快了5倍。 然而, 這其實並非時間流逝的速度真的變快了, 而是由於光信號在傳播過程中 宇宙空間膨脹所導致的效應。 對於一段光信號, 如果在不膨脹的宇宙空間中傳播, 其發射的持續時間與接收的持續時間是相同的, 而當該信號在膨脹着的宇宙中傳播時, 由於傳播的路程增大, 信號接收需要花費更長的時間。 這種效應在天文學中 被稱爲宇宙時間膨脹效應。 這種效應在天文觀測上 還會進一步導致一些物理量出現變化, 諸如觀測到的波長變長, 觀測到的天體亮度變暗等等。 需要澄清的是, 這裏的宇宙時間膨脹 與相對論中由於參照系變換導致的時間膨脹 其實並不是一件事情。 在宇宙膨脹過程中, 天體在宇宙共動座標系中是靜止不動的。 雖然觀測上我們看到 遙遠天體在遠離我們, 但這是由於天體隨着宇宙膨脹被動 隨波逐流導致的。 這些遙遠天體之間並沒有相對的運動, 因而也就沒有由於相對運動而導致的時間膨脹。 此外,當我們談論時間流逝的快慢, 都是指本地靜止的鐘的時間。 宇宙早期某地靜止的鐘 與現在地球上靜止的鐘 其時間流逝快慢是一樣的。 因此,這一次的研究結果是指 我們今天接收信號的持續時間 比宇宙早期發出這段信號時的持續時間更長, 而不要誤解爲 現在時間流逝速度比早期宇宙快。 不論是億萬光年的距離, 還是神祕的低大聲, 從早期宇宙至今, 天文領域的奧祕數不勝數, 極待人們去探索。 宇宙中到底有多少謎團? 宇宙中最大的謎團又是什麼? 無論科學家們探索到了什麼, 宇宙似乎總處在待發現的狀態之中。 也正是這種從未知到已知再到未知的過程 在推動着人類文明的不斷前進。 在宏大的宇宙面前, 我們常常會被這些看似矛盾的問題迷得暈頭轉向。 爲什麼宇宙會看起來超光速膨脹? 爲什麼我們能看到比宇宙年齡還要遠的地方? 相對論究竟有沒有被突破, 被挑戰? 但當我們真正理解宇宙膨脹的本質, 就會發現宇宙並不是在用超光速奔跑, 而是空間本身在不斷被拉伸, 被擴展。 光速仍然是宇宙中不可逾越的極限, 只是我們所處的舞臺在不停地變大。 這就是宇宙帶給我們的震撼。 它遵守規則, 卻又讓結果超出直覺。 它沒有違反相對論, 卻展示出超越想象的規模。 而我們人類正站在這片不斷擴張的時空中, 像是在看着宇宙的過去一步步向我們靠近。 如果你喜歡這樣的科學內容, 記得點贊、訂閱並開啓通知。 我們下期視頻, 在一起探索宇宙的更深處。