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宇宙膨胀早已是观测事实,不由你不信,问题是如何理解超光速?

?有人问:宇宙大爆炸迅速膨胀,数以亿计的天体以超光速四散远离,你信吗?

我当然相信,因为大爆炸宇宙论已经是科学界公认的标准宇宙模型,是迄今为止能够最准确全面解释各种宇宙现象的唯一理论。我们都不是科学家,一些高深理论了解不多不透,但至少我们可以学习一些天文常识,这些常识就足以支撑我相信这个理论了。

一些朋友不相信或者反对这个理论,是因为他们根本不了解什么是大爆炸宇宙论,也不愿意去深入学习了解,仅凭一点点吃喝拉撒的生活知识,就觉得大爆炸理论不可思议。比如这种“数以亿计天体以超光速四散远离”的说法,听起来有点恐怖,叫人不得不质疑宇宙膨胀理论。

但宇宙大爆炸或宇宙膨胀是“亿万天体四散超光速远离”吗?完全不是。因为宇宙膨胀是时空的膨胀,或者简单说是空间本身的膨胀,而不是星系天体在膨胀;再说宇宙天体用数以亿计这个数字太小了,告诉你,光是可观测宇宙星系都有万亿乃至十万亿计。

何谓空间膨胀?

这里我们把宇宙空间比作所有天体物质的载体,宇宙所有物质都是镶嵌在这个载体背景上,我们说的膨胀是这个大背景在膨胀,星系等天体只是乘坐在这个载体上跟着移动,所谓“超光速”跟其本身没有关系。

由于宇宙膨胀速度不是物质移动的速度,因此这个超光速与爱因斯坦关于物质运动光速是极限,不得超越的理论没有矛盾。

但载体膨胀,就是这张大背景在胀大,镶嵌其上的星系看起来就在不停相互分开。虽然我们不能用生活逻辑来理解这个事情,但为了说清楚,还不得不用一个我们都知道的东西来举例。

我们可以简单把宇宙膨胀看做一个气球在胀大,这个气球的膜就是宇宙空间,这个膜在膨胀,膜上的点点或者图画就会随着气球增大而相互分开,这些点点或图画我们可以理解为星系等天体。现在应该比较直观的了解了吧,星系之间的离开是相互离开。

这样,我们在这个气球“膜”的表面任何一点看,似乎都是中心,星系都在远离这个“中心”而去。所以理论上宇宙没有中心,有人老不理解这个问题,这样一说能够理解吗?

宇宙膨胀速度的理解

如果这个气球很大很大,一直在膨胀,我们随意在气球膜上定一个点,附近的点点看起来离开我们的速度很慢,但距离这个点遥远的边际,叠加起来的速度就很快了。所谓超光速膨胀,是指宇宙大尺度膨胀超光速,超光速是在距我们百亿年以外的地方,而且只是相对我们观测者,在它们附近的速度和我们附近是一样的。

现在我再来打一个比方:如果有人告诉你,某人在天上以每小时1000千米的速度移动,你一定会感到很惊奇。但如果告诉你,这人是坐在一架飞机里,他根本没动,只是飞机载着他以时速1000千米的速度飞行,你就会觉得一点都不奇怪了。

其实宇宙膨胀也是这样,时空就像这个大飞机,星系就是在飞机这个空间里,随着空间膨胀而移动,星系自己并没有动。当然,不管是气球还是飞机,都无法真正与宇宙空间相比,宇宙空间比这要复杂多了,这里只是为了简化理解而做的一个比喻。

膨胀速度是怎么测算出来的?

宇宙膨胀是各向同性,越远越快,速度与距离成正比例。宇宙观测结果符合哈勃定律,表述为:Vf=Hc*D。这里的Vf表示星系的视向速度,Hc表示哈勃常数,D表示星系距离(Mpc的倍数)。

这里面的关键是弄清楚哈勃常数。何谓哈勃常数?就是科学确定在距离我们1Mpc(百万秒差距,约326万光年)的地方,星系离开我们的速度。

科学家们已经用各种仪器、卫星、望远镜测量哈勃常数几十年,还没有得到一个标准数值。测得的数据最高达到82.4km/s,最低为67.8km/s,取个中间值约75km/s。将哈勃常数代入哈勃定律公式,就可以测算出宇宙膨胀速度,得出可观测宇宙半径465亿光年的最远处,膨胀速度约光速的3倍多。

宇宙膨胀速度最近距离从326万光年算起,是因为距离再近,星系更多的是受相互之间引力牵制,不适用哈勃定律。比如银河系和仙女座星系,距离约254万光年,在相互引力作用下,不但没有分开,还正在以每秒约300千米的速度靠拢,预计在未来30~40亿年后,两个星系会相撞融合成一个更大的星系。

但宇宙膨胀是总体上的,在大尺度范围起决定作用的。现代科学研究认为,未来的宇宙膨胀走向如何,是越来越快,还是会渐渐慢下来,停下来转为收缩,要看暗能量和暗物质博弈的结果,这个结果将决定宇宙的归宿是个什么结局。这个问题说来话长,过去也说过多次,这里就不多扯了。

宇宙膨胀的证据

这个问题我过去多有讨论,今天只简单列举几个证据。

首先,科学家经过百年观测,所有远方的星系都在远离我们,而且各向同性。所谓各向同性,就是无论从哪个方向看都是一样的,似乎我们就是宇宙的中心。但实际上,宇宙没有中心,就像前面说的气球,在“膜”的任意一点看起来星系都是在远离我们,任意一点都是中心。

通过星光红移测算,越远的星系离开我们越快,移动速度与距离成正比。由此科学家们经过反推,就得出了在过去的时间里,星系之间的间隔比现在要小,而且越久远的过去,星系就靠得更近。根据测得的哈勃常数测算,在130多亿年前的过去某一天某一个时刻,所有星系是挤在一起的,根据爱因斯坦场论,这个点只能是一个体积无限小的奇点。

这就是宇宙由一个奇点爆炸膨胀而来的基本逻辑。

其次,根据大爆炸宇宙模型可以测算出现在宇宙中元素的丰度,观测研究证明这些丰度符合大爆炸模型预期。

再次,发现了引力波、宇宙微波背景辐射、黑洞、时空弯曲等宇宙现象,这些都是爱因斯坦根据大爆炸宇宙论和引力场论,在100年前的预言,如今这些预言一个个被证实,自然这个理论依据就更坚实了。尤其宇宙微波背景辐射,是大爆炸38万年后宇宙发出的第一缕光残留的余烬,这个证据强力地支持了大爆炸宇宙学说。

还有通过对宇宙天体、星系的演化规律了解,都包含在大爆炸宇宙模型的预期之中。由此,大爆炸宇宙论才成为现代天文学的标准模型,除此之外没有任何理论能够望其项背。

科学之所以成为科学,就是允许任何人质疑,任何人能够推翻前人的理论,发现更深刻的理论,都将是人类文明的巨大进步。但这种质疑和推翻一定要建立在科学精神和科学方法基础上,要有证据和理论体系来支撑,最后同样也要接受全世界任何人质疑和验证,得到科学界公认。

有哪位大仙不要凭浅薄的想象随意揣度,而是踏踏实实做出点成就得到科学界公认,这才是正道。我说的正道是科学精神和科学方法,走正道就一定会得到广泛的支持。

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