网友提问李淼在微博：刚才听了一个科普节目，说宇宙在大爆炸后百万分之一秒就膨胀到太阳系那么大，大爆炸后一秒已经膨胀到几光年大了，这让我觉得很奇怪，难道大爆炸的速度是可以超光速的吗，而且还超了那么多？想听您解释这到底是怎么回事。谢谢。 很多人会问这个问题。 先澄清你在问题中的一句话：“宇宙在大爆炸后百万分之一秒就膨胀到太阳系那么大，大爆炸后一秒已经膨胀到几光年大了。” 这句话未必正确，也未必不正确。 因为我们并不确定宇宙在大爆炸刚刚开始的时候，宇宙中的能量密度到底有多大。一般的看法是，宇宙大爆炸刚发生的时候，宇宙中的能量密度大约是每立方厘米10的86次方克，这个密度太巨大，无法直观化。珠穆朗玛峰有多重？大约也就是10的17次方克，地球呢？大约是6乘10的27次方克。太阳的质量不过也“只是”10的33次方克。 爱因斯坦的理论告诉我们，宇宙膨胀的速度与能量密度有关，能量密度越大，膨胀的速度就越高。当宇宙能量密度大到上一段说的那个密度时，宇宙在千万亿分之一秒时已经有太阳系那么大了。（太阳系多大也是一个问题，这里我们假设太阳系就是从太阳到地球这么大，也就是说，半径是1.5亿公里，当然，如果将太阳系算到奥尔特星云，那就大多了。） 所以，你听来的那句话并不严谨。 按照现有的观点，宇宙大爆炸那一刻的能量密度可以低一些，但最低不能低过每立方厘米10的30次方克。假如宇宙的起始密度是这样的，那么，千分之一秒后，宇宙就会有太阳系那么大。 无论如何，宇宙都会在开始的时候疯狂地生长。 即使长大到太阳系这么大只需要千分之一秒，成长的速度也远远超过光速。 所以，你的问题仍然成立。 这到底是怎么回事呢？要弄懂这一点并不难，但我们必须接受爱因斯坦的第二个理论，即广义相对论。 爱因斯坦有两个理论，一个是狭义相对论，一个是广义相对论。我们熟悉的禁忌“光速不能被超越”是狭义相对论里的。 在狭义相对论中，并不存在万有引力，所以，时间和空间尽管可以“互相转变”，但相对来说是固定的，一旦你选定一个空间做参照（比如说你搭建一个水泥框架），这个参照永恒不变。 但这个假定在万有引力参合进来的时候就不再成立了，你并不能搭建一个永恒不变的水泥框架，整个宇宙就是这么一个情况。你可以搭建一个小小的水泥框架，这个是可以的，而且，在这个小小的水泥框架里面光速也确实是最大的速度。但是，时间长了，你的水泥框架就会变形，也就是说，宇宙一直在膨胀，当水泥框架比较大的时候，你就不能拿水泥框架的一头物体运动的速度来和另一个来对比。 简单一点说，万有引力导致时间和空间弯曲，当弯曲程度比较大的时候，光速不变、光速最大这种说法就不再适用了。 我们都知道，空间中的能量密度越大，时间空间弯曲得就越厉害，你的“水泥框架”保持不变型的时间就越短，而且你搭建的水泥框架必须很小“光速不变和最大”这个断言才成立。 所以，在宇宙中，离我们越远的物体看上去离去的速度就越高，超越了一定距离这个物体离去的速度就超光速了，这和相依相对论不矛盾，因为它不再适用了。 |
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