在我們(men) 生活的宇宙中，萬(wan) 物都需要在既定的物理框架下運行，而這些框架就是我們(men) 所說的科學，也是宇宙的基本法則。

其中有一個(ge) 法則雖已經深入人心，但我們(men) 有時還是會(hui) 對其產(chan) 生質疑，而且我們(men) 也很樂(le) 意挑戰這個(ge) 所謂的基本法則。

它是由愛因斯坦在一百多年前提出，即：宇宙中存在一個(ge) 終極的速限製，也就是光在真空中傳(chuan) 播的速度（ 299,792,458 m/s）。

在物理學中我們(men) 認為(wei) ，任何無質量的粒子在真空中的速度都必須是光速，目前我們(men) 所知道的光速粒子有三個(ge) ，分別是光子、膠子和引力子。

任何有質量的粒子都必須在低於(yu) 光速的速度下運行，哪怕是現在所知最輕的中微子隻有1.1eV的質量，比第二輕的電子輕了（5.11×10^5eV）將近1/50萬(wan) ，它的速度也無法在真空中達到光速。

那麽(me) 問題是，宇宙的時空結構為(wei) 何可以以超光速的速度在膨脹？甚至是導致一些龐大的星係遠離我們(men) 速度也超光速了？

這似乎違反了光速不可超越的基本法則？下麵我們(men) 就說下這個(ge) 問題。

尺縮效應

1905年的時候，愛因斯斯坦提出了具有革命性意義(yi) 的狹義(yi) 相對論，改變了我們(men) 之前對固有時空的看法，例如：尺縮效應和時間膨脹效應。

這兩(liang) 個(ge) 效應的神奇程度不亞(ya) 於(yu) 魔法一般，其中狹義(yi) 相對論的誕生來源於(yu) 愛因斯坦對光的思考，並且提出了三個(ge) 基本的命題，這也是狹義(yi) 相對論的奠基石。

• 1、不論你是誰，不論你處在怎樣的狀態，光速對你來說都是恒定不變的。

• 2、不論你處在怎樣的位置、不論你以怎樣的方式在運動，你所看到的物理定律都是一樣的。

• 3、光的傳播不需要任何的介質，有時間和空間足以。

這三個(ge) 基本命題最令人頭疼的就是光速不變原理，因為(wei) 這個(ge) 原理違背了我們(men) 日常的生活經驗，還有速度疊加在我們(men) 生活中隨處可見。

例如：兩(liang) 個(ge) 相向、同向行駛的車，它們(men) 之間的速度滿足疊加原理；你騎個(ge) 自行車，向前扔個(ge) 小球，在地麵上的人看來，小球的速度肯定要加上自行車的速度。

但是光速不是這樣的，它相對於(yu) 任何事物，都是同樣不變的速度。

邁克爾遜幹涉儀(yi) 的基本原理圖

這件事對我們(men) 來說根本無法理解，但是早在1881年科學家阿爾伯特·邁克爾遜和愛德華·莫雷就通過實驗的手段證實了光速不變。

實驗的基本原理是這樣的，製造一個(ge) 幹涉儀(yi) ，在光源處發射一束光，當光經過分束器的時候，會(hui) 將光線分為(wei) 兩(liang) 束互相垂直的相幹光，這兩(liang) 束光具有相同的波長。

接著這兩(liang) 束光經過相同的傳(chuan) 播距離再次被反射回來，就會(hui) 形成新的幹涉圖案。這裏有個(ge) 關(guan) 鍵點，如果一條分量上的光速發生了變化，那麽(me) 它就會(hui) 相對於(yu) 另外一個(ge) 分量上的光發生滯後。

在兩(liang) 束光相遇的時候幹涉條紋就會(hui) 發生變化。但是實驗的結果是，即使地球在宇宙中以大約30公裏/秒的速度繞太陽運行，幹涉條紋也沒有發生變化。

這說明不管是哪個(ge) 分量上的光，都不會(hui) 因為(wei) 地球如此快速的運動，而速度發生變化。依然會(hui) 保持光速。不滿足我們(men) 認為(wei) 的速度疊加原理。

所以光速不變並不是愛因斯坦的憑空想象，而是實驗的結果。雖然光速不滿足於(yu) 簡單的速度疊加，但是相對於(yu) 光速的運動，會(hui) 讓我們(men) 看到光線的紅移和藍移現象。

在1916年，愛因斯坦最大的成功就是將引力納入了相對論中，為(wei) 我們(men) 重塑了宇宙的時空結構，在此之前我們(men) 用牛頓的引力理論去解釋萬(wan) 物。

但是出現了一些問題，例如在大質量天體(ti) 或者能量下牛頓引力不夠精準，解釋光線彎曲的問題上也一樣，而廣義(yi) 相對論的出現就解決(jue) 了以上的問題，牛頓引力也成為(wei) 了相對論引力的一個(ge) 近似值。

廣義(yi) 相對論將引力解釋為(wei) 質量/能量對宇宙時空的彎曲，而彎曲的時空又影響著宇宙萬(wan) 物的運動。水星軌道異常進動問題，以及1919愛丁頓對日食的觀測證明了廣義(yi) 相對論的正確。

新的引力理論和時空概念，讓我們(men) 認識到我們(men) 身處的宇宙不可能是精致的，它要麽(me) 在引力的作用下收縮，要麽(me) 膨脹，總之愛因斯坦的宇宙是一個(ge) 動態的宇宙。

其實早在1924年，天文學家就觀測到宇宙中的星係與(yu) 我們(men) 之間的距離和星光的紅移之間有著密切的聯係，雖然星係都在宇宙中相對運動，沒有絕對靜止的物體(ti) ，但這個(ge) 相對的速度隻有每秒幾千公裏。

而我們(men) 觀測到星光紅移量要遠遠大於(yu) 星係相對於(yu) 運動所能帶來的紅移效果。並且我們(men) 發現這些星係離我們(men) 越遠紅移量越大。

根據愛因斯坦的理論，科學家們(men) 立即就意識到了我們(men) 處在一個(ge) 加速膨脹的宇宙當中，星係退行速度隨著距離的增大是因為(wei) 整個(ge) 宇宙的時空在加速膨脹。

這就跟你蒸麵包一樣，麵團裏麵的葡萄幹就像是宇宙中的星係，當麵團膨脹變大的時候，裏麵的葡萄幹會(hui) 互相遠離對方，並且最遠的那個(ge) 葡萄幹似乎遠離的速度更快。

但這不是因為(wei) 葡萄幹或者星係在運動，它們(men) 自認為(wei) 自己一直處在靜止狀態，而變大的是整個(ge) 麵包或者是時空。

例如，你現在上海居住，而另外一個(ge) 人在北京居住，你們(men) 一年時間都沒有離開自己所在的城市，你們(men) 都認為(wei) 自己是靜止的，如果地球在膨脹，那麽(me) 你們(men) 也會(hui) 認為(wei) 對方在遠離自己。

星係也是一樣的道理。宇宙中的第一批星係出現在宇宙誕生後的數億(yi) 年間，它們(men) 剛出現的時候，所發出的光線就開始向外傳(chuan) 播。

經過了130億(yi) 年甚至是更長的時間，星係的光才到達地球。這些光線剛被星係發出來的時候，可能在紫外線波段，但由於(yu) 空間在膨脹，光線已經被拉伸到了紅外線波段。

我們(men) 接收到這些光線，經過測量紅移值，我們(men) 就得出了星係正在加速遠離我們(men) ，而且速度已經超過了光速。

但實際上這些星係根本就沒有動，更沒有相對於(yu) 空間以光速運動，它們(men) 相對於(yu) 空間的速度估計隻有2%的光速，甚至更低。

我們(men) 說光速是宇宙中的極限速度，意思是萬(wan) 物相對於(yu) 空間的運動速度不能超過光速。而這個(ge) 法則並沒有限製空間本身，空間的膨脹速度並沒有上限，並且它並不會(hui) 違反因果論，也不會(hui) 傳(chuan) 遞任何信息。

最主要的是，空間的膨脹並不是我們(men) 平時認為(wei) 的物體(ti) 的速度，而是單位距離的速度變化率，單位是 km/s/mpc，更像是一個(ge) 頻率。

空間的加速膨脹導致了宇宙雖說隻有138億(yi) 年，但我們(men) 現在能看到的星係，或者是宇宙的範圍已經達到了461光年的距離。

而且目前180億(yi) 光年以外的位置，星係推行的速度已經超過光速，即使我們(men) 現在以光速追這些星係，也永遠無法到達。

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