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图解宇宙膨胀的方式,宇宙如何做到超光速膨胀的
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利利熊
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我觉得有必要做一下这个问题的科普,因为经常看到宇宙膨胀的问题,很多人知道宇宙所谓“超光速膨胀”,那么宇宙究竟为何能做到超光速的膨胀?它又是如何膨胀的,为什么说这并不违背光速不可超越的说法?又是为什么可观测宇宙是920亿光年呢?
这会闲来无事,我试着讲一讲这个问题。
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IP属地:甘肃
1楼
2018-09-22 14:28
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利利熊
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每次说这个问题的时候,我总喜欢把宇宙比作一根皮筋,这次也不例外,皮筋拉伸的方式其实和宇宙膨胀的方式是一样的,只不过皮筋是一维的线,它的拉伸方式只有2个方向,而宇宙是3维的,它的膨胀方向有很多而已。
OK,一根皮筋,我们在皮筋上等分画若干个点,就像下图这个样子。
所以当你拉开皮筋的时候,会观察到皮筋上的点之间互相的远离,那么我们假设A点为静止的,你会看到A点相邻的两个点,也就是B点和B1点,以相同的速度远离了A点。
IP属地:甘肃
2楼
2018-09-22 14:37
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利利熊
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是不是所有的点都以A点为中心互相远离呢? NO NO NO,并不是这样,如果我们以其它的点为静止参考,你会发现和A点观察到的情况一样,旁边的点都以自己为中心远离。比如我们以D点为参考,会发现C点和E点以同样的速度远离自己,如下图。
IP属地:甘肃
3楼
2018-09-22 14:42
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利利熊
小吧主
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这就是皮筋和宇宙膨胀的共同点,它们不是以一个点为中心的辐射扩散,而是没有中心点,所有的点都以自己为中心,相互远离。下图这种膨胀方式其实和炸弹爆炸的原理一样,都是辐射扩散,但是这并不是宇宙膨胀的方式(划重点)。
虽然“大爆炸理论”有爆炸两个字,但是它与真正的“爆炸”有根本区别,一定要记住这一点,否则你将无法理解宇宙膨胀和大爆炸(敲黑板
)
IP属地:甘肃
4楼
2018-09-22 14:51
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利利熊
小吧主
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OK,继续回到皮筋上来,还是以A点为参考,其实你可以把A点理解为地球,此时你就站在地球上,我所讲的就是你在地球上所观察到的情况。
刚才说了,以A为参考,相邻的B和B1都以相同的速度远离自己,这点能理解吧?那么我们看看相隔的点会怎样呢?也就是C和C1点,由于C点同样会远离B点,而C1点也同样会远离B1点,所以在A点会看到C和C1点,以2倍于B和B1点远离的速度,远离A点。如果B点远离A点的速度为V,那么C点远离A点的速度,就是2V,如下图。
IP属地:甘肃
5楼
2018-09-22 15:00
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利利熊
小吧主
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同样的道理,D和D1点也会以更快的速度远离A点,也就是说,距离越远的点,它们的远离速度就会越快,反之就越慢。那么,如果这个皮筋足够长,总会有一个点,它远离A点的速度就会超过光速!
IP属地:甘肃
6楼
2018-09-22 15:09
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利利熊
小吧主
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接楼上,此时Z点和Z1点远离A点的速度已经超过光速了,对于A点来说,Z和Z1以外的点,对于A点不可见。如果把这个例子般到宇宙里,Z和Z1之内的空间,对于A来说就是“可观测宇宙”了,超出这个范围的宇宙空间,A无论如何也是无法获得那里的任何信息。为什么呢?因为狭义相对论的结论:任何信息传递的速度不能大于真空光速!所以,这两点以外的任何信息,是无论如何也不能传递到A点的了。
科学家们根据这根“皮筋”拉伸膨胀的速率,计算出了这根皮筋上Z点距离A点的距离:460亿光年!
也就是说,以地球为圆心,以460光年的距离为半径,画一个圆球的空间,这个空间对于地球来说,就是“可观测宇宙”。
IP属地:甘肃
7楼
2018-09-22 15:29
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此人是男神
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阅。
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8楼
2018-09-22 15:47
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我这样说,可能有点同学就不高兴了,难道你认为地球就是宇宙的中心吗,为什么可观测宇宙是以地球为中心的球体呢?
请大家再回过头看看3楼,宇宙膨胀的这种方式,就决定了宇宙没有中心,我说了宇宙膨胀不是辐射膨胀,与炸弹爆炸的那种方式有根本区别,这种像橡皮筋一样的膨胀方式,决定了无论你身处宇宙的何处,你都会观察到在地球上观察到的一样的情况,如下图,加入你并不在地球所在的A点,而是身处Z点,在地球上看Z点已经在可观测宇宙的边缘了,哪里的一切将以接近光速远离我们。而如果你再Z点,你观察到的情况和地球一样,可观测宇宙对你来说依然是一个460亿光年半径的球体,而地球则处于可观测宇宙的边缘。
IP属地:甘肃
9楼
2018-09-22 15:49
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利利熊
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如果你仔细看并且认真思考了,你就会发现,这里其实并不存在任何实质物质的“超光速”,宇宙膨胀的速度在宇宙任何地方都是一样的,就像皮筋被拉开,皮筋上每相邻两点的远离速度都是一样的,无论这根皮筋有多长,地球周围的空间膨胀速率,与可观测宇宙边缘甚至是可观测宇宙之外的任何地方,他们膨胀的速率一样,这里没有任何违背相对论中光速不可超越的事情。
IP属地:甘肃
11楼
2018-09-22 16:02
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利利熊
小吧主
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所以,所谓“宇宙膨胀超光速”的说法,是错误的,至少是不准确的。
细心的朋友可能会发现一个问题,可观测宇宙的半径是根据宇宙膨胀的速率计算得出的,这个膨胀的速率其实就是哈勃常数,也就是说,可观测宇宙的大小决定因素就是哈勃常数,那么这个膨胀的速率是一定的吗?答案是否定的,宇宙膨胀的速率并不是一成不变的,根据观测,宇宙正在加速膨胀,也就是说在可预见的未来,宇宙的膨胀将会越来越快,所以我们的可观测宇宙将会越来越小。
究竟什么原因导致了宇宙的膨胀?又是什么原因导致宇宙在以越来越快的速度膨胀呢?现在还不得而知,我们只能假设这种导致宇宙膨胀的原因是一个未知的能量,科学家称之为“暗能量”。
IP属地:甘肃
12楼
2018-09-22 16:21
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利利熊
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暗能量导致宇宙膨胀,而引力似乎又会将宇宙之间的物质聚拢,这两种力互相较劲,就像是在拔河一样。目前来看,是暗能量占据了上风,但这是在非常大的尺度上,在比较小的尺度上,引力会更占据上风,所以暗能量虽然强大,它让整个宇宙都为之膨胀,但却无法阻止距离较近的星系之间的碰撞,所以我们的银河系在30亿年后依然会与仙女系融合。
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13楼
2018-09-22 16:29
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利利熊
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然而楼上说了,宇宙在加速膨胀,也就是说暗能量似乎在增加,如果暗能量不可逆的增加,它最终将会战胜引力,星系将不会再融合,再之后,连星系内部的引力都无法抵抗暗能量,星系开始瓦解。再之后,就连太阳系之内的天体,都在暗能量的强大作用下开始分崩离析,行星将不再围绕恒星公转。而这一切,都不是终点,暗能量克服了引力,而它也终将克服更强大的电磁力,物质将不再能保持分子以上的宏观状态,这就是宇宙最为可怕,也是很可能的结局之一,“大撕裂”!
IP属地:甘肃
14楼
2018-09-22 16:37
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利利熊
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15楼
2018-09-22 16:39
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16楼
2018-09-22 17:24
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