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【科普知识】 03-31为什么宇宙可以“超光速膨胀”？

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大爆炸/宇宙膨胀/超光速，这三个标签永远存在于宇宙吧十大话题之中，吧友们从未停止过对于它们的争论。有些反大爆炸理论的吧友的逻辑是这样的：宇宙年龄137亿年→可观测宇宙460亿光年→没有东西可以超光速→大爆炸理论不可能是真的。但是，事实上宇宙膨胀是可以超光速的……
IP属地:上海来自iPhone客户端1楼2017-03-31 14:56回复
    那么宇宙确实超光速膨胀吗？答案是肯定的。我们来做个简单的计算，哈勃常数的值在70公里每秒每百万秒差距左右，那么先撇开相对论的因素不谈，42亿秒差距（138亿光年）外的星系就相对于我们以超光速远离了！
    IP属地:上海来自iPhone客户端2楼2017-03-31 15:02
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      这个速度还不算什么，要知道在大爆炸之后的
      10^-35到10^-33秒之间的一瞬经历了所谓的大暴涨，宇宙从一个原子核大小膨胀到了太阳系大小。要知道即使是光，在这么短的时间内能走的距离还不到原子核直径的百亿分之一，当然接下来膨胀速率就放缓很多了……（图中纵向是空间跨度）
      IP属地:上海来自iPhone客户端5楼2017-03-31 15:09
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        那么我们遇到了第一个问题：如果一个星系向我们远离的速度大于光速，它的光怎么能传播到我们这里呢？我不提什么光速不变，钟慢尺缩，我就举一个简单而形象的例子（这个例子我忘了在哪看到的，可能就在宇宙吧里看的）：
        IP属地:上海来自iPhone客户端6楼2017-03-31 15:16
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          我们假设有一根牛逼的橡皮筋，长1000米；有一只蜗牛，在橡皮筋的一段向另一端以每小时1米的速度爬。当它开始爬的时候，橡皮筋开始以每小时100米的速度无限拉长，问蜗牛是否能在有限长的时间里爬到另一端？
          IP属地:上海来自iPhone客户端7楼2017-03-31 15:22
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            直觉告诉我们，这特么爬个皮皮虾啊？橡皮筋拉长速度都是蜗牛速度一百倍了……然而事实恰恰相反，蜗牛是可以爬到另一端的。要知道，蜗牛已爬过的路程也是随着橡皮筋的拉长而拉长的，蜗牛爬过的橡皮筋的比例在不断增加，这个比例最后会达到1。当然了，并不是所有比例增加的数列都会在有限长的长度内总和达到1（比如0.5+0.25+0.125+……），但是这个蜗牛的例子里比例确实最后会等于1，数学证明贴在楼下。
            IP属地:上海来自iPhone客户端8楼2017-03-31 15:35
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              假设蜗牛爬过的橡皮筋的比例随时间t的函数是f（x)，那么一个简单的一次微积方程就可以解决：（好久没写过中文了，请不要嫌弃我字丑，嫌弃的话……我就打死你）
              IP属地:上海来自iPhone客户端9楼2017-03-31 15:37
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                嗨呀，虽然海枯石烂，两万多亿亿亿亿亿小时后蜗牛才爬到了另一端，但也是爬到了。现在，我们把蜗牛视作光，把这根橡皮筋视作该星系和我们之间的距离，就可以理解光从超光速远离我们的星系传播到我们这里了。当然，当前宇宙膨胀速度并没有光速的一百倍之多，所以时间跨度也没那么夸张。
                IP属地:上海来自iPhone客户端10楼2017-03-31 15:47
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                  那么接下来遇到的一个问题是，宇宙膨胀超光速是否违背相对论？答案是否定的。我们熟知的具有静质量的物体不能达到光速是狭义相对论提到的，在广义相对论中爱因斯坦加了一条，观测者只能测量其邻域中的物理量。
                  IP属地:上海来自iPhone客户端11楼2017-03-31 15:53
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                    说到底，宇宙在大尺度上并不是一个闵氏时空（虽然局部上来看，空间像是静态平直的）。当前，暗能量接过了宇宙膨胀的交接棒，空间来不断地受到整体拉伸。简单来说，你不能说一个“超光速远离”你的星系相对于你在超光速运动，因为它不在你的邻域，不属于同一个参考系内。
                    IP属地:上海来自iPhone客户端13楼2017-03-31 16:04
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                      同时，对于观测者而言，在局部的惯性系中，经过其领域的有质量粒子无法达到光速。但是，空间本身的膨胀不受此限制，不以光速为上限。借用知乎上北大一个大佬的话说，光速=因果性传递速度的上限，但是宇宙膨胀不具有因果性传递。
                      IP属地:上海来自iPhone客户端14楼2017-03-31 16:09
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                        最后说些题外话，大爆炸模型依然是最广为接受与观测支持的宇宙模型。或许它还多有纰漏，甚至在将来还有可能被完全推翻。但是，你拿个什么“宇宙无法加速膨胀”来妄言大爆炸理论绝对是错的，也未免太幼稚了。说白了，这种程度的东西要是都能推翻大爆炸模型，难道前沿的科学工作者会想不到？
                        IP属地:上海来自iPhone客户端16楼2017-03-31 16:26
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                          我马上要进入物理专业的第三年，至今还望不到现代物理的冰山一角，只能感叹一声物理学的广博和宏大。所以每每看到一些连泡利不相容或者傅立叶变换都不知是何物的人，没有任何观测证据和严谨的科学逻辑，就在无比膨胀地宣称某某理论是错的，宇宙真理是怎样怎样的，就感觉真的很……还有些阴谋论者整天声称什么官科欺瞒群众，打压民科之类，真想把妈卖批仨字贴他脸上
                          IP属地:上海来自iPhone客户端17楼2017-03-31 16:35
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                            扯远了愤青了总之这贴到这就更完了。涉及相对论或者量子力学的种种话题总是有违直觉而且富有争议性。如果有错误请帮我指出，我明天再统一回复
                            IP属地:上海来自iPhone客户端18楼2017-03-31 16:39
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                              自顶
                              IP属地:上海来自iPhone客户端19楼2017-03-31 22:04
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