天文學家發現：宇宙正在超光速膨脹，難道愛因斯坦錯了？

宇宙正在超光速膨脹 難道愛因斯坦錯了? 首先,我們要搞清楚 愛因斯坦的理論本質上到底在講什麼? 爲什麼任何有質量的物體都無法超越光速移動呢? 難道是因爲宇宙這條高速公路上 有人立了一個牌子 上面寫着每秒30萬公里以上禁止通行嗎? 當然不是那麼回事了 其實,真正的理由說起來還挺單純的 要讓一個東西加速 基本上就得消耗能量 這是適用於所有有質量物體的基本物理原則 而且速度越快 想再加速就會需要越多的能量 當速度接近光速時 時間變慢這類相對論效應 也會變得無法忽視 結果就是 要突破每秒大約30萬公里這道牆 會遇上兩個難以克服的大難題 第一個問題是 當速度達到光速時 時間會變成0 而在這種狀態下 讓時間再變更慢根本就毫無理議 因爲時間不能倒流 這會違反每件事情的原因 都必須發生在結果之前的基本因果律 第二個問題是 要讓東西突破光速 所需的能量大到誇張 就算把整個可觀測宇宙拿來燃燒 也連一顆原子的速度都加不動 計算下來 要達成這樣的加速 所需要轉換爲能量的質量 幾乎會趨近於無限大 這當然是不可能發生的事 即使宇宙外面真的還存在其他宇宙 加起來的總質量再多 也終究還是有限的 不可能變成無限 所以 只有那些沒有靜止質量的粒子 纔有辦法以光速移動 像是光子就是其中的代表 光子一出生就是光速 根本不需要經過加速 自然也就沒有那種 要無限能量才能加速的問題 不過 跟時間有關的問題 可就沒這麼簡單 這部分還是個未解的麻煩 這就是爲什麼 光速會被視爲極限速度的根本原因 而就算這些問題全部都能解決 還會剩下一個很重要的難題 那就是觀測的問題 要解釋這個概念 最簡單的方式就是舉個例子來說明 有看過打雷的人應該都知道 會先看到閃電 幾秒後才聽到雷聲 爲什麼會這樣呢 因爲閃電本質上 就是會伴隨爆炸的放電現象 而光速比音速還要快 所以我們的眼睛會先接收到閃電的光 接着耳朵纔會聽到聲音 如果你有看過超音速戰機 也會有類似經驗 先看到飛機 然後才聽到它的轟鳴聲 那我們現在試着想象一下 有個東西 正在以比光還快的速度移動 我們人類大多數的資訊來源 其實都來自視覺 也就是眼睛看到的東西 眼睛接收從物體反射過來的光子 經由視網膜傳送到大腦 再由大腦加以解讀 這整個過程就是看見 但如果某個物體的移動速度比光還快 它自己反射出來的光子會被它甩在後面 等於它自己把光超車了 就像音速戰機超越自己的聲音一樣 換句話說 這樣的東西根本無法被我們真正看到 因爲我們眼前看到的那個位置 早就已經沒有那個東西了 而且從它流下的光子中 我們也無法正確掌握它的外形或特性 所以說 關於超越光速這件事 我們目前已經可以整理出一個完整的輪廓了 到這裏爲止 其實都還算是有邏輯可循 只要在學校物理課 有認真聽講的人應該都能理解 不過 這種事情在科學領域很常見 現實的觀測結果 常常不會乖乖照着理論 或我們以爲理所當然的邏輯來走 很多時候 觀測的數據就是跟理論合不來 跟我們的直覺也完全對不上 現實世界 本來就比我們想象的還要複雜得多 紅移現象 這個名詞 其實早就是天文學界耳熟能詳的話題 宇宙在膨脹 所以越遠的銀河跑得越快 離我們也越來越遠 從這些銀河傳來的光 可能花了幾十億年才抵達我們 但在這段時間裏 連帶着空間本身也不斷拉伸 光的波長也會被一起拉長 結果就是 波長變長 光會偏向可見光譜中的紅色那一邊 更驚人的是 最遠的那些銀河 看起來竟然是在用超越光速的速度 離我們而去 但我們剛剛不是才確認過 東西是不可能跑得比光還快的嗎 那到底是怎麼回事 又爲什麼我們還能看見它們呢 難道說 是愛因斯坦搞錯了 我們剛剛講的全部 其實都只是騙人的假說 一切其實都是相對的 首先請大家放心 愛因斯坦並沒有錯 我們也絕對沒有在唬弄各位觀衆 科學理論 其實都有各自適用的範圍 只是限制不同而已 我們日常生活中用牛頓力學 就綽綽有餘了 像是燒開水這種小事 當然不需要搬出量子熱力學來解釋 不過呢 也確實存在 牛頓力學派不上用場的狀況 而這次我們要談的 就是這樣的例子 速度的定義 其實有好幾種 而且相對論本身 也有多種層面 這些觀點之間不是互相矛盾 而是互補存在的 所以首先 我們得搞清楚 這些用語真正的意思 不能超越光速這句話 在某種程度上 可以直接理解 也就是說 任何物體本身的移動速度 都無法在真空中超過光速 那麼 來想象一個情境吧 假設你現在 站在手扶梯上 正準備往上移動 你的步行速度有限 即使不走路 光是站在手扶梯上 它也會自己 在你往前進 可是 從樓下靜止的人看來 你的距離卻越來越遠 爲什麼會這樣呢 因爲你站着的這條傳送帶 本身就在往前動 所以 從其他人看來 你的速度 就是走路速度 加上手扶梯本身的速度 銀河也差不多 就是這樣的概念 就像站在這條 宇宙傳送帶上的人一樣 銀河本身的移動速度 並不算特別快 但重點在於 這條傳送帶 也就是時空本身正在擴張 而兩個銀河之間的距離越遠 彼此分離的速度 也會變得越快 而這個時空膨脹的速度 並不受到光速的限制 所以 這樣是不是就違反了相對論呢 完全沒有 這其實一點問題 也沒有 銀河會不斷遠離我們 正好就是相對運動的 一個典型例子 更重要的是 銀河本身並沒有真的 往某個方向飛奔 它們也沒有加速 就像靜靜地漂浮在原地一樣 會看起來像是在逃走 其實只是因爲 空間本身正在伸展開來 我們再用一個例子 來幫助想象 假設在一顆 吹大的氣球表面 畫上代表銀河的小點 這些點 其實都沒有在 氣球表面上亂跑 它們就只是 原地不動地待在那裏 但隨着氣球不斷膨脹 點與點之間的橡膠 會被拉開 距離自然就越來越遠 不管你站在哪個點上看 其他所有的點 都在遠離你 而且 距離越遠的點 看起來遠離的速度 就越快 而這種點與點之間的 距離變遠這件事 是不會受到像螞蟻 在氣球上爬 那樣的速度限制的 真正受到限制的 是螞蟻在氣球表面上 移動的速度 而不是氣球本身 膨脹的那個速度 至於宇宙 到底是靠什麼機制 在膨脹 說實話 我們目前還搞不太清楚 不過可以確定的是 這背後 應該跟一種叫做 暗能量的神祕東西 有關 但目前爲止 觀測到的宇宙膨脹力 還沒強大到 能打敗萬有引力 所以我們不用擔心 銀河或星系團 會整個解體崩散 可是 那些沒有 被引力這條毛鏈 抓住的遠方銀河 卻好像 被什麼東西拖着跑 用令人難以置信的速度 離我們而去 但他們自己 其實根本沒動 這樣的畫面 其實很像 河水流動時 枯葉被水沖走的樣子 這也正是爲什麼 我們今天 還能看見 這些正在遠離的銀河 隨着宇宙持續膨脹 這些銀河 發出的光花了 幾十億年的時間 才終於 傳送到我們這裏 我們現在 所看到的那些光 其實是他們 早在太陽誕生之前 很久就釋放出來的 而在那個位置 如今早就已經 空無一物 更重要的是 我們現在能看到 這些銀河的光 其實只是暫時的現象 因爲這些銀河 現在發出的光 已經追不上 空間的膨脹速度 從此將無法再 傳到我們這裏來了 所以 我們現在能看到的 只是當初 他們還比較靠近我們時 所發出的最後一抹殘光 那些光 是從數十億年前 出發 才終於 抵達我們的眼前 而在這段 漫長的旅程中 宇宙早就不斷膨脹 銀河早已被帶到 更遙遠的地方 但這道光 還是成功地撐到最後 不過 那些銀河 現在所釋放的光 已經來不及了 因爲宇宙膨脹的速度 早就遠遠超越了他們 如果膨脹持續下去 將來我們 甚至可能再也 看不到本地 銀河群以外的宇宙了 而根據 宇宙大撕裂理論 甚至有一天 連我們這個銀河群 也會解體 到時候 我們的視野中 只會剩下自己的銀河