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宇宙可以超越光速而不违反爱因斯坦的法则

2026-07-31 01:19:28 前沿信息 阅读

宇宙膨胀允许遥远星系以超光速退行,同时仍让我们能看到它们在距离尚近时发出的古老光线。最终,加速膨胀将把本星系群之外的几乎所有星系推至视界之外,使宇宙看起来几近空无一物。

这意味着当望远镜捕捉到来自遥远星系的光线时,图像并没有揭示该星系如今的位置。它展示的是光线开始旅程时该星系的样子。为了估算其目前的距离,天文学家必须使用一个考虑了宇宙随时间膨胀情况的宇宙学模型。

目前使用的主流模型被称为LCDM。它包含暗物质(另一期节目)和暗能量(另一期节目)。LCDM的优势和局限性值得单独讨论(另一期节目),但替代模型并不会显著改变这里所描述的整体图景。

可观测宇宙的边缘

宇宙大约有137.7亿年的历史,但我们能观测到的最遥远区域现在距离我们约450亿光年。在它们的光线向我们传播的整个过程中,空间一直在膨胀。

这个边界被称为粒子视界、宇宙视界或共动视界,具体取决于你当下的风格偏好。它定义了我们可观测气泡的外缘,并标志着我们今天所能看到的最远距离。

起初,这些数字看起来是矛盾的。既然宇宙只有137.7亿岁,可观测宇宙怎么能延伸到450亿光年?答案是宇宙可以超光速膨胀。

 

为何允许超光速膨胀

这并不违反物理定律。光速限制的是物体在局部区域内穿越空间的速度。观察者永远不会看到附近的火箭飞船以超光速飞过。

宇宙膨胀则不同。遥远星系并不一定是在通常意义上飞掠过空间。相反,我们与那些星系之间的空间正在增长。狭义相对论并没有对宇宙中大尺度距离增加的速度施加同样的限制。

天文学家可以通过测量星系的红移来估算其退行速度。当星系远离时,其光线在电磁波谱中向波长更长的红端移动(拉伸)。埃德温·哈勃利用这一效应发现了宇宙正在膨胀的证据。

在膨胀的宇宙中,更遥远的星系通常退行得更快,因为它们与我们之间存在更多的空间。空间越多,意味着可以膨胀的距离就越多。

星系开始以超光速退行的点被称为哈勃距离。它位于大约137.7亿光年之外。

 

为何我们仍能看到运动更快的星系

我们可以观测到哈勃距离之外的星系,因为今天到达我们的光线是很久以前发射的,当时那些星系距离我们要近得多。我们最终也可能接收到一些位于更远处的星系发出的光,前提是这些光是在星系距离较近时就开始向我们传播的。

然而,存在一个终极极限,称为宇宙事件视界(它与黑洞事件视界略有不同)。它目前位于大约170亿光年之外。

任何从该边界之外就在此刻发出的光,无论我们等待多久,都永远无法到达我们这里。空间的膨胀将阻止它跨越这不断增长的距离。

暗能量与消失的宇宙

由暗能量驱动的加速膨胀使这种分离变得更加极端。宇宙事件视界在未来将继续膨胀,但最终将接近约600亿光年的最大距离。

即便那时,观察者也无法看到该距离内的所有事物。来自最遥远星系的光将被拉伸到极长的波长,以至于实际上从视野中消失。

大约1000亿年后,本星系群以外的每一个星系都将永远从视野中消失。未来的观察者将生活在一个比我们今天所能看到的宇宙看起来更小、更空旷的宇宙中。

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Materials provided by Universe Today. Original written by Paul Sutter. Note: Content may be edited for style and length.

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