你覺不覺得，科學家有時候挺不講武德？

譬如他們(men) 說光速是宇宙的極限速度，任何超光速運動都是不被物理規則所允許的，倘若某個(ge) 物體(ti) 的運動速度超過30萬(wan) 公裏/秒，則它隻能存在於(yu) 那些不嚴(yan) 謹對待物理星空体育官网入口网站的軟科幻故事中。

然而另一方麵，他們(men) 又說宇宙曾是一個(ge) 無限致密的奇點，體(ti) 積無限接近於(yu) 零，直到138億(yi) 年前，由於(yu) 某種原因"嘭"地一下炸開了花，並膨脹至今，才有了我們(men) 今天所見到的這個(ge) 直徑遠遠超過930億(yi) 光年的巨大空間。

如果你擁有小學二年級以上的數學水平，就會(hui) 發現這其中似乎出現了一點問題：既然光速無法超越，那宇宙從(cong) 一個(ge) 奇點開始，以光速膨脹138億(yi) 年，最多能長成一個(ge) 半徑138億(yi) 光年的大圓球，直徑怎麽(me) 就超過930億(yi) 光年了呢？

居然存在如此致命的矛盾，難道科學家的智力水平就這麽(me) 差？

這當然不可能，他們(men) 是人類當中頭腦最聰慧，學識最淵博的群體(ti) ，絕不會(hui) 犯下如此低級的錯誤，那麽(me) ，問題究竟出在哪兒(er) 嘞？

我想，這事兒(er) 可能已經成了你多年的疑惑，所以，咱們(men) 今兒(er) 個(ge) 就來把光速究竟能否超越，宇宙又是如何超光速膨脹的這兩(liang) 個(ge) 問題，撩它個(ge) 底兒(er) 褲朝天。

誰說光速不可超越？

他說的，你信嗎？

不管你信不信，我今天偏要冒《相對論》之大不韙，教你如何利用一個(ge) 唾手可得的工具——你自己的雙腿，親(qin) 自製造出一起超光速事件，保證童叟無欺。

我想，在星空体育官网入口网站普及程度極高的今天，應該沒有多少人會(hui) 懷疑或否定"運動與(yu) 速度都是相對的"這個(ge) 理論了吧。

假如你吃著火鍋唱著歌，帶著老婆開著車以60公裏的時速在路上行駛，而我開著另一輛時速60公裏的車朝你迎麵衝(chong) 來，就問你躲不躲？

不管你躲不躲，你都不能否認相對於(yu) 你而言，我是以120公裏的時速衝(chong) 向你的，除非你不講武德。

根據這個(ge) 規律，咱們(men) 就可以推斷出，假如你騎著二踢腳上了天，以60%光速在太空中飛行，而我騎著另一支二踢腳以60%光速迎麵衝(chong) 向你，咱兩(liang) 的相對速度就達到了120%光速。

看，這不就製造出了超光速現象嗎，超光速並沒有多難，不是麽(me) 。

啊呸！如果這樣都能超過光速，那愛因斯坦的智商跟你我有什麽(me) 區別？

在麵對上述情況時，經典力學是根據伽利略變換下的速度合成公式w=u+v來計算相對速度的，這非常符合我們(men) 的一貫認知，卻衝(chong) 突於(yu) 麥克斯韋方程組推導出的光速不變原理。因為(wei) 光速不變就意味著兩(liang) 束相向而行的光，相對於(yu) 彼此的速度仍然為(wei) 光速，而不是2倍光速。如果w=u+v，如何解釋光速+光速=光速呢？

為(wei) 了解決(jue) 這個(ge) 矛盾，《論動體(ti) 的電動力學》橫空出世了，愛因斯坦借以這篇論文向所有科學家宣布：你們(men) 這幫蠢蛋用小學加減運算去計算光速這麽(me) 高級的東(dong) 西，當然要出問題，應該這樣算才對嘛——

這是洛倫(lun) 茲(zi) 變換下的速度合成公式，與(yu) 伽利略變換的最大區別在於(yu) 引入了速度造成的時空膨脹效應，倘若我們(men) 把90%光速，也即0.9c代入這個(ge) 公式中計算，將得到如下結果：

看見了吧，甭說60%光速了，即使咱兩(liang) 都騎著90%光速的二踢腳迎麵衝(chong) 向對方，相對速度仍然隻有99.4%光速，非但沒能超過，甚至沒有達到光速。

機智如我的你想必也看出來了，這個(ge) 公式的大致形式就是用伽利略變換的結果去除以一個(ge) 分母。在低速狀態下，譬如0.00000001%光速時，分母的值十分接近於(yu) 1，則結果自然也就基本等於(yu) 伽利略變換的計算結果了。

用這個(ge) 算法來合成速度的好處是，低速物體(ti) 的相對速度仍然符合我們(men) 的一貫認知，而兩(liang) 個(ge) 相向而行的光速物體(ti) ，相對速度也正好等於(yu) 光速了。

這下麥克斯韋的在天之靈可算是得以安息了，可是……

這鬼公式咋這麽神奇呢？

其實原因很簡單，這個(ge) 公式本來就是在光速不變的基礎上推導出來的，有些類似於(yu) 我根據w=5這個(ge) 既定結果，推導出了w=(5+5)/2這個(ge) 公式，得到結果能不是5麽(me) ？

看到這裏，你可能很想罵街：我去，這不就是個(ge) 數學遊戲嗎？數學好了不起啊？

別說，數學好還真就了不起。因為(wei) 牛掰格拉斯之處在於(yu) ，洛倫(lun) 茲(zi) 變換不僅(jin) 自洽於(yu) 科學體(ti) 係、在數學意義(yi) 下完全成立，而且還與(yu) 現實觀測十分吻合——這是科學家們(men) 反複通過各種觀測數據，及多項試驗進行過驗證的，是經受住了嚴(yan) 酷拷問，哦不，嚴(yan) 格考驗的。

咱們(men) 今兒(er) 個(ge) 不去深究光速不變原理在現實中是如何驗證的，將來有機會(hui) 再另出一期文章來討論這個(ge) 問題。總而言之就是，洛倫(lun) 茲(zi) 變換的結果表明，我們(men) 是真的沒有任何辦法鼓搗出超光速現象了——除非你長了兩(liang) 條腿。

你有兩(liang) 條腿嗎？

你有。

所以，你其實完全能親(qin) 自製造出超光速現象來，並且還不用騎什麽(me) 二踢腳，唯一要做的就是在青城……emmm……山下~~白素貞……

不對，是清晨時分……

太陽剛冒出地平線時……

找個(ge) 空曠的操場……

優(you) 雅而不失風度地……

追趕自己的尾巴。

屆時，整個(ge) 世界都將在你眼中飛速旋轉，猶如你就是宇宙中最靚的仔。

而運動是相對的，在這個(ge) 過程中，你可以認為(wei) 自己沒動，是山啊樹啊花啊草啊，或者電線杆子等外界景物在繞著你旋轉，就像下圖醬紫。

當然，無論你的雙腿有多粗壯，你也不可能超光速奔跑，因此花花草草也好，電線杆子也罷，相對於(yu) 你的速度統統都不可能超過光速。

可是你別忘了，在山的那邊海的那邊還懸掛著一顆紅彤彤的太陽嘞，它與(yu) 你的距離長達149597870.7 公裏，這意味著你在地球上發羊癲瘋時，相對於(yu) 你而言，它一直在沿著一個(ge) 半徑接近1.5億(yi) 公裏的圓形軌道圍著你愛的魔力轉圈圈。

這個(ge) 軌道的半徑連光都要8分鍾才能跑完，而太陽卻能在以秒為(wei) 單位的時間內(nei) 沿著軌道的周長一圈又一圈地轉個(ge) 不停，問：太陽此時的相對速度比光速快多少倍？

我說了童叟無欺的，對麽(me) ？這種方法真的能讓你輕鬆製造出一個(ge) 超光速現象，缺陷是玩久了容易頭暈、惡心、嘔吐。

除外，我掐指一算就能想象出……

此時此刻的你一定像臨死前的姬無命一樣懵逼

沒錯，這種超光速現象並沒有任何現實意義(yi) ，但它卻很好地說明了一個(ge) 問題：並非任何形式的相對速度都無法超過光速，相對論真正表達的思想是，任何攜帶了能量或信息的速度，都無法超過光速。

這是什麽(me) 意思呢？

在直線運動狀態下，物體(ti) 的相對‬速度達到多少，就會(hui) 實實在在地攜帶多大的能量。

譬如你開著一輛時速120公裏的車迎麵‬衝(chong) 向另‬一輛‬靜止‬不動‬的‬車‬，鬼才知道你為(wei) 什麽(me) 要這樣做‬，總之你就是做了，那麽(me) ‬此時‬它‬相對於(yu) ‬你的‬時速‬‬也是‬120公裏‬，於(yu) 是‬你‬就會(hui) 實實在在地體(ti) 驗到‬來自於(yu) ‬一輛‬時速120公裏的車的撞擊力‬‬有多酸爽。

除此之外，在直線運動狀態下，物體(ti) 的相對速度達到多少，就能以多快的速度傳(chuan) 遞出信息。

譬如我想給你一耳光，而咱兩(liang) 距離18米，但我們(men) 都以9米/秒的速度跑向對方，則隻需要1秒我的巴掌就呼在你臉上了。這一巴掌的傳(chuan) 遞速度，等同於(yu) 它以18米/秒的速度飛向靜止物體(ti) 的速度，所以叫"降龍18掌"。

結合上文提到的相對速度攜帶著相應能量的例子，你可以想象一下這一掌的威力有多巨大。

什麽(me) ‬，我‬為(wei) 啥‬‬要‬憑白無故‬給你一巴掌‬？

因為(wei) ‬你剛才‬撞‬壞‬的‬那輛車‬是‬我的‬。

再反觀你原地轉圈的情況，太陽相對於(yu) 你的速度雖然大於(yu) 光速，但它並未攜帶光速運動的物體(ti) 應有的能量。假如它與(yu) 你的距離不斷縮小，最終撞在你的身上，衝(chong) 擊力也就等於(yu) 你"咚"地一下撞到了旁邊的電線杆子而已，不會(hui) 讓你體(ti) 驗到一個(ge) 超光速太陽的無窮威力。

更何況它盡管在以N倍光速圍著你不停地跑圈圈，卻無法依靠這個(ge) 速度在8分鍾以內(nei) 跑到你的跟前來撞你一下。換言之，它不具備超光速傳(chuan) 遞信息的能力。

由此可見，這種性質的"超光速"，本質上隻是低速運動隨距離的增加而產(chan) 生的一種疊加效果，隻能體(ti) 現在計算結果中，並不是真正的超光速運動，相對論壓根兒(er) 就不稀得搭理它。

這就是超光速與(yu) "超光速"之間的根本區別，理解這一點對理解宇宙為(wei) 何能超光速膨脹至關(guan) 重要。

實際上，類似的超光速現象還有許多，例如夜晚用一束激光快速掃過星空，光柱指向點的位移速度超過了光速；電磁波在出現異常色散的情況時，波的相速度有時也會(hui) 超過光速。

再就是宇宙膨脹的過程中，距離銀河係十分遙遠的星係，相對於(yu) 地球的退行速度也同樣超過了光速，因此138億(yi) 年就跑到距離地球465億(yi) 光年以外的地方去了……

嗯？等等，好像又出問題了。

“星係退行”指的是其他星係與(yu) 銀河係的距離在不斷變大，也就是它們(men) 相對於(yu) 銀河係在不斷“倒退”，這……不就是……直線運動嗎？

我們(men) 已經在“降龍18掌”的例子中見識到了，直線運動狀態下的相對速度是攜帶著相應能量與(yu) 信息傳(chuan) 遞能力的，正因如此，相對論才"明令禁止"這種相對速度超過光速。

從(cong) 這一點來看，星係的退行速度大於(yu) 光速顯然違反了相對論，從(cong) 堅決(jue) 弘揚科學精神的層麵來說，愛因斯坦難道不該管管這幫龜孫兒(er) 麽(me) ？就算做不到雖遠必誅，至少也得開幾張超速罰單意思意思吧。

遺憾的是，假如誰真的帶著罰單跑到它們(men) 跟前去，就會(hui) 發現它們(men) 根本沒超速，相反的，當你驀然回首時，會(hui) 發現銀河係反倒在超光速遠離它們(men) 了。

你有感覺到自己在宇宙中超光速翱翔嗎？

你當然沒有。

所以，遙不可及的星係相對於(yu) 彼此的超光速退行，也要在距離足夠遠的前提下才能體(ti) 現出來，一旦靠近就慢下來了。這種比較特殊的現象是均勻膨脹的物體(ti) 或空間所具有的一種特殊性質，因此在所有均勻膨脹的物體(ti) 上都有所體(ti) 現，要說明這個(ge) 問題，我所能想到的最好的道具就是尺子了。

注意：本文的重點——宇宙超光速膨脹的核心原因來了。

咱們(men) 試想有一把50毫米長的尺子由於(yu) 某種超自然現象的影響，在1秒內(nei) "嘭"地膨脹了一倍，刻度仍然是50毫米，可實際長度變成了100毫米，就如下圖醬紫。

此時，尺子上的所有刻度之間的距離都從(cong) 原先的1毫米變成了2毫米。也就是說，任意刻度左右兩(liang) 側(ce) 的鄰近刻度都向遠處移動了1毫米。這意味著在尺子膨脹的過程中，每條刻度兩(liang) 側(ce) 的相鄰刻度，都在以1毫米/1秒的速度“退行”。

倘若有一條規定是，任何刻度的移動速度都不能超過10毫米/秒，則無論我們(men) 以哪條刻度為(wei) 視角去觀察與(yu) 之相鄰的刻度，都會(hui) 發現它們(men) 嚴(yan) 格遵守著這個(ge) 規定——因為(wei) 它們(men) 這1秒的位移量全都隻有1毫米嘛。

可問題是，尺子是從(cong) 50毫米變成了100毫米啊，這意味著最左側(ce) 和最右側(ce) 的兩(liang) 條刻度，相對於(yu) 彼此的位移量已經達到了50毫米，遠遠超過了10毫米/秒的限速……詭異麽(me) ？

明明所有刻度都在以直線運動的方式彼此遠離，然而相鄰刻度之間的相對速度全都很慢，遠距離刻度之間的相對速度卻在成倍地提高，這就是物體(ti) 在均勻膨脹的載體(ti) 上，隨著距離的增加而疊加出來的相對速度。

顯而易見的是，這種相對速度盡管在宏觀上體(ti) 現出了實際影響，但本質上仍然隻是低速運動因距離產(chan) 生的疊加效果，因此同樣會(hui) 隨著距離的縮短而逐漸喪(sang) 失。

在宇宙膨脹的過程中，那些遠距離的星係就是在這種效應下體(ti) 現出超光速退行的，所以，我們(men) 在以銀河係為(wei) 參考的前提下，可以理解為(wei) 宇宙是在超光速膨脹，或者說距離非常遙遠的星係在超光速遠離地球，但絕不能因此而認為(wei) 那些星係真的在超光速運動。

其實在尺子的例子中，若我們(men) 再仔細一些，將某條刻度視為(wei) 觀察者，去分析其他刻度的退行速度，還能找到一個(ge) 特定規律——尺子膨脹之前距離觀察者1毫米的刻度，在尺子膨脹後向遠處位移了1毫米；距離觀察者2毫米的刻度則位移了2毫米；距離觀察者3毫米的刻度位移了3毫米……以此類推。

據此規律，我們(men) 便可以說相對於(yu) 任意刻度，其他刻度的移動速度與(yu) 距離成正比。甚至可以將其表達為(wei) 一個(ge) 常數：1mm/s/mm，意思是尺子的膨脹率為(wei) 1毫米/秒/毫米，表示刻度與(yu) 觀察者之間的距離每增加1毫米，每秒相對於(yu) 觀察者的退行速度就加快1毫米。

咱們(men) 的宇宙也具有一個(ge) 類似的膨脹率，是以哈勃常數來描述的，它的值在50km/S/Mpc—90km/S/Mpc之間，目前被廣泛認可的值是71km/S/Mpc。

Mpc（百萬(wan) 秒差距）是天文學使用的一種距離單位，1Mpc約合326萬(wan) 光年。71km/S/Mpc的意思就是：星係與(yu) 觀察者之間的距離每增加326萬(wan) 光年，每秒相對於(yu) 觀察者的退行速度就會(hui) 加快71公裏。

看明白了嗎？哈勃常數所蘊含的核心思想就是，宇宙的膨脹速度為(wei) 71公裏/秒/326萬(wan) 光年——這才是所有星係真正的退行速度，遠遠低於(yu) 30萬(wan) 公裏/秒/不管多遠的光速。

但是，由於(yu) 空間在均勻膨脹，星係與(yu) 星係之間存在退行速度與(yu) 距離成正比的現象，因此，當兩(liang) 個(ge) 星係的距離足夠遙遠時，它們(men) 的相對退行速度就大於(yu) 30萬(wan) 公裏/秒了，而這種超光速同樣隻能體(ti) 現在計算結果中，並非真正意義(yi) 上的超光速運動。

實際上，也正是由於(yu) 哈勃常數表明銀河係外的所有星係，均體(ti) 現出了退行速度與(yu) 距離成正比的規律，天文學家們(men) 才大膽地作出了宇宙在均勻膨脹的假定，而不認為(wei) 是星係本身在向遠處運動。畢竟，億(yi) 萬(wan) 星係自身在空間中運動，卻步調一致地在速度和距離上體(ti) 現出特定規律，如此巧合實在有是讓人難以置信。

這就好比你是一隻微生物，生活在尺子的某條刻度中，你看不見尺子的邊界，但能發現兩(liang) 側(ce) 的所有刻度都在逐漸遠離你，且移動速度與(yu) 距離成正比，那麽(me) 更合理的猜測當然是整條尺子在均勻膨脹，而不是刻度本身在向外移動了——最後這張動圖或許能讓你深刻理解這一點。