深度长文：宇宙膨胀速度为何超过光速，这和相对论矛盾吗？

“如果你觉得一切都在控制之中，那说明你的速度还不够快”。——马里奥·安德烈蒂

宇宙膨胀、相对论和暗能量之间有着十分密切的联系，它们共同导致了一个结果，也是我们经常会感到最不可思议的一个现象，你肯定也想过这个问题，是这样的：

众所周知，宇宙是以递增的速度在膨胀，简单说就是，离得越远，膨胀速度越快。那要这样说的话，岂不是膨胀的速度会超过光速？如果真的是这样，这难道不会与爱因斯坦的理论相矛盾吗？

今天要说的就是这个问题，一个看似矛盾的问题！

让我们从光速开始，先了解接近光速后意味着什么。

无论在宇宙的什么地方，无论是什么样的物质，在空间中移动的速度都有一个绝对的限制。也许你会认为只要通过消耗越来越多的能量，就可以让自己的获得更快的速度……话虽没有错，但这句话只在一定程度上是正确的。如果你的移动速度只有几米/小时，或者几公里/小时，甚至是几公里/秒，就跟地球绕太阳公转的速度一样！在这样的速度下，我们根本不会注意到想要以无限速度移动存在的障碍。

根据相对论，在空间中移动的越快，在时间中的移动的就越慢（时间也是一个维度）。现在想象一下，你在地球表面处于完全静止的状态，你的一个朋友一开始跟你一样也是静止的，然后他乘喷气式飞机开始环球飞行。在你和你的朋友分开之前，你们同步了手表，并且将时间精确到了微秒。

如果你们的手表足够灵敏，当你的朋友完成旅程回到你身边时，你们的手表就会出现稍微的偏差。你的手表显示的时间会比你朋友的手表显示的时间要快一些，可能只有几十微秒的差异，但这个差异只要通过精确的测量是可以分辨的。并且移动得越快，差异就越明显。

国际空间站（International Space Station）上的宇航员在短短90分钟内就可以绕地球一圈，在我们地面上的人看来，它们的时间会比我们慢几秒；即使是使用传统的计时器（电子表、机械表），所经过的时间也会有明显的差异。传统的计时器为什么也会变慢呢？别忘了，一些都是由量子构成的，而物质的运动变化，都有由基本力作用的。例如：你用手拿起一个东西，这个力怎么来的？说到底这就是电磁力在起作用，而光子传递电磁力变慢了，你的动作相应也会变慢。

所以说，高速状态下时钟不同的运行方式，是因为时间本身在以不同的速度流逝。而时间的相对变化正是因为移动速度让传递力的微观粒子的运动路径发生了变化。下图：

时钟在高速运动状态下运行的更慢，这只是时间和空间相互联系的一个结果，在空间中更快的运动意味着在时间中的运动更慢。时间和空间之间的速度变化是通过光速来联系的。你看，传递相互作用力的粒子最快的速度就是光速，而你的运动速度越接近光速，那么传递力的时间就会无限延长，而你的时间就会静止。想一想，你身体内的相互作用力都传递不下去了，你的生命、新陈代谢是不是就变得无限慢。

这也是为什么μ介子，一种平均寿命只有两微秒的不稳定粒子，可以在大气层顶部以接近光速的速度产生，并能一直到达地球表面。这是一个大约100公里的旅程，然而，如果它仅仅以30万公里/秒（光速）的速度移动2.2微秒，它只能穿过0.6%的路程，然后就衰变了。但μ介子之所以能够到达地球表面（如果你伸出手，每秒钟大约有一个介子穿过你的手掌）正是因为相对论的这种时间变慢效应。

那么膨胀的宇宙呢？为什么可以超光速？

要知道，如果我们观察一个星系，平均来说，星系离我们越远，它远离我们的速度就越快。室女座星系团中的星系，大约有5000万到6000万光年远，平均以1200公里/秒的速度远离我们；后发星系团中大约3.3亿光年远的星系，正以每秒7000公里的速度远离我们。

我们看得越远，这些星系和星团后退的速度就越快。当然，由于局部运动和附近引力的影响，存在数百甚至1000公里/秒的微小变化，但在最大的尺度上星系确实是在加速远离我们。这一现象最早是由埃德温·哈勃本人在20世纪20年代发现的，由此产生了哈勃定律，即宇宙膨胀定律。利用我们所掌握的最先进的现代观测资料，这一定律在各个方向上延续了数百亿光年。因此是绝对没有错的，确实在加速膨胀。

那光速呢？

这道无形的屏障（阻止所有形式的物质以光速运动）会阻止星系后退的速度吗？当一个星系越接近光速时，时间会渐近并停止流逝，永远被禁止以低于零的速度流逝，否则这些星系的时间会倒退？

这里漏掉了一个重要的问题。光速作为一种极限，只适用于空间中同一位置上相对运动的物体。

相对论，一定要记住“相对”这个词！没有“相对运动”就没有相对论，更没有光速限制。当你的朋友乘飞机离开时，他们的手表会稍微慢一点，那是因为你们在同一个地方又见面了。当宇航员返回地球时，慢了几秒钟，那是因为你们在同一个空间区域。即使是μ介子，以接近光速的速度运动，这也是相对于地球上的参照系在运动，这就是为什么它的影响是可见的原因。

但是在遥远的宇宙中，这些星系根本就没有移动。相反，是它们之间的空间在膨胀，但是单个星系本身相对于附近的空间是静止的。

那我们是怎样知道星系并没有动，只是中间的空间在膨胀？

我们可以做一个测试：通过观察这些遥远星系，并测量它们的红移和它们的距离，可以对照相对论的预测，检查它们是在极远的距离上是如何移动的。

首先了解下相对论有两种形式：一种是狭义相对论，它存在于平坦的静态空间中，只有物体通过空间和时间的运动；另一种是广义相对论，空间本身随着时间的推移而演化或收缩，物质和能量决定了时空的曲率。

以下是这两种预测的不同之处。

红色虚线代表了星系自己运动的距离和红移的关系，黑线代表了空间膨胀下，星系距离和红移的关系！事实证明，我们的观测结果绝对支持广义相对论的空间膨胀解释，完全排除了空间是静态的解释。

总结：宇宙的加速膨胀对未来意味着什么？

当我们把所有东西放在一起，即使在我们的宇宙中加入暗能量，这对我们膨胀的宇宙意味着什么？

这意味着随着时间的推移，遥远星系发出的光会向光谱的红色部分偏移，导致宇宙红移。这意味着宇宙中有一部分距离我们非常遥远，以至于它们发出的光一直都没有到达过我们，以后也不会到达我们。目前，这个距离大约为460亿光年（可观测半径）。

这意味着，从现在开始，任何超过140到150亿光年的物体现在发出的光都将永远不会到达我们，或者我们发出的光也一样无法到达它们。也就是说目前可观测宇宙4%的星系还跟我们有着联系或因果关系。而那些超光速远离我们的星系，即使是现在发射的光子，也永远不会到达它们。

随着时间的推移，所有被卷入宇宙膨胀中的物体都会加速远离我们，越来越快。如果时间足够长，它们最终都会以比光速还快的速度后退，不管我们造出了多快的火箭，不管我们发射了多少信号，不管光本身的速度有多快，原则上我们都无法到达它们。