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宇宙超光速膨胀,为何没违反相对论?爱因斯坦:我说是有前提的!

宇宙正在膨胀早已不是新鲜事,但真正让人好奇的是,宇宙的膨胀速度,光速也被其超越。“光速不可超越”,爱因斯坦曾有过这样的表

宇宙正在膨胀早已不是新鲜事,但真正让人好奇的是,宇宙的膨胀速度,光速也被其超越。“光速不可超越”,爱因斯坦曾有过这样的表述,难道宇宙真的在打破这条铁律?更让人疑惑的是,推动宇宙不断向外扩张的是何种力量,让它越跑越快?

对于所有携带信息和质量的物体,狭义相对论的限速令对其适用。光速上限的规则其实有明确的适用范围。不能超光速的核心,针对的是所有携带信息和质量的物体在空间中的运动。空间本身的变化并不在这个限制之内。

宇宙膨胀的核心不是星系在空间里主动奔跑,而是星系被动远离彼此的动力,源于空间的延展。就像两点之间的距离会因为地面的拉伸而变大,星系只是被动跟着空间的延展远离彼此。当两个星系相距足够遥远时,它们之间的退行速度就会轻松突破光速。这既不违反物理规律,也不会传递超光速信息,只是宇宙的几何尺度在自然变大。

空间不会毫无缘由地加速扩张。上世纪末,宇宙膨胀加速的关键线索,天文学家从Ia型超新星观测中捕捉。要推动如此庞大的宇宙结构加速,必须有一种特殊的能量形式。具有负压强且均匀分布特性。这种未知能量,被科学家命名为暗能量。宇宙总能量的68%由暗能量占据,就像一种内置的动力源,持续推动着星系彼此远离。或许我们对真空的认知太浅了,推动宇宙的关键能量,其实是看似空无一物的真空,只是目前的探测技术还没完全弄明白。

很多人会觉得暗能量是来自宇宙之外的外力,但事实并非如此。暗能量不是宇宙之外的某种力量,而是空间自身的内禀属性。爱因斯坦当年引入的宇宙学常数Λ,与暗能量核心逻辑相近。简单来说,宇宙膨胀的内在驱动力,是其自身的能量特性。比如说物体本身具有惯性,不需要额外施加力就能保持运动状态,宇宙的膨胀也有着内在的驱动力。

想到我们每天感受的引力是拉着万物靠近,而星系彼此远离被暗能量持续推动着,微观世界里的某种粒子运动,或许与暗能量的反向力量相关?虽然目前没有直接证据,但这种跨尺度的联想,或许能给科学家提供新的思考方向。

暗能量的特性直接决定了宇宙的最终命运。如果暗能量的密度保持恒定,宇宙将走向大冻结的结局。观测数据为大冻结结局提供了支持。星系会不断远离,夜空会越来越暗,最终整个宇宙都会变成一片冰冷的真空。

如果暗能量的密度随着时间增加,就可能出现大撕裂的情况,从星系、恒星到原子,所有物质都会被不断增强的斥力撕碎。反之,要是暗能量的强度减弱甚至反转,宇宙可能会减速膨胀,最终收缩迎来大挤压的终点。宇宙的最终命运,由暗能量的特性直接左右。目前的观测数据更支持大冻结这种结局,但宇宙的未来仍存在变数,新的观测结果可能会改写现有的结论。

除了暗能量,科学界还提出了不少替代模型来解释宇宙的加速膨胀。随时间缓慢变化的动态场,便是精质。早期宇宙暴胀场的简化版本,与精质的性质相似。极远距离上,斥力由引力转变而成。广义相对论的修改,能让极远距离的引力转变为斥力。修正引力模型则认为不需要引入新的能量,只要修改广义相对论,让引力在极远距离上呈现出斥力特性,就能解释宇宙的加速膨胀。暗能量气泡,可能由黑洞内部的部分物质转化而成。

宇宙耦合黑洞假说提出,恒星死亡后形成的黑洞,内部可能会将一部分物质转化为暗能量气泡,为宇宙膨胀提供额外动力。真空相变,或将改变暗能量的强度甚至性质。真空相变理论则认为,宇宙目前处于亚稳态,未来可能会发生一次相变,改变暗能量的强度甚至性质。解释宇宙膨胀的非唯一答案是暗能量。这些假说都还缺乏决定性的证据,但它们说明暗能量并不是解释宇宙膨胀的唯一答案,真正的推手身份还需要进一步探索。

我觉得暗能量的存在,恰恰说明宇宙的规律比我们想象的更自洽,它不需要外部的上帝之手,而是靠自身的能量平衡维持运转,宇宙的自我驱动特性,与生命的生长规律存在隐秘呼应。