在我們生活的宇宙中，萬物都需要在既定的物理框架下運(yùn)行，而這些框架就是我們所說的科學(xué)，也是宇宙的基本法則。

其中有一個(gè)法則雖已經(jīng)深入人心，但我們有時(shí)還是會對其產(chǎn)生質(zhì)疑，而且我們也很樂意挑戰(zhàn)這個(gè)所謂的基本法則。

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

在物理學(xué)中我們認(rèn)為，任何無質(zhì)量的粒子在真空中的速度都必須是光速，目前我們所知道的光速粒子有三個(gè)，分別是光子、膠子和引力子。

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任何有質(zhì)量的粒子都必須在低于光速的速度下運(yùn)行，哪怕是現(xiàn)在所知最輕的中微子只有1.1eV的質(zhì)量，比第二輕的電子輕了（5.11×10^5eV）將近1/50萬，它的速度也無法在真空中達(dá)到光速。

那么問題是，宇宙的時(shí)空結(jié)構(gòu)為何可以以超光速的速度在膨脹？甚至是導(dǎo)致一些龐大的星系遠(yuǎn)離我們速度也超光速了？

這似乎違反了光速不可超越的基本法則？下面我們就說下這個(gè)問題。

尺縮效應(yīng)

1905年的時(shí)候，愛因斯斯坦提出了具有革命性意義的狹義相對論，改變了我們之前對固有時(shí)空的看法，例如：尺縮效應(yīng)和時(shí)間膨脹效應(yīng)。

這兩個(gè)效應(yīng)的神奇程度不亞于魔法一般，其中狹義相對論的誕生來源于愛因斯坦對光的思考，并且提出了三個(gè)基本的命題，這也是狹義相對論的奠基石。

• 1、不論你是誰，不論你處在怎樣的狀態(tài)，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(yùn)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(zhì)，有時(shí)間和空間足以。

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這三個(gè)基本命題最令人頭疼的就是光速不變原理，因?yàn)檫@個(gè)原理違背了我們?nèi)粘５纳罱?jīng)驗(yàn)，還有速度疊加在我們生活中隨處可見。

例如：兩個(gè)相向、同向行駛的車，它們之間的速度滿足疊加原理；你騎個(gè)自行車，向前扔個(gè)小球，在地面上的人看來，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，它相對于任何事物，都是同樣不變的速度。

邁克爾遜干涉儀的基本原理圖

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

實(shí)驗(yàn)的基本原理是這樣的，制造一個(gè)干涉儀，在光源處發(fā)射一束光，當(dāng)光經(jīng)過分束器的時(shí)候，會將光線分為兩束互相垂直的相干光，這兩束光具有相同的波長。

接著這兩束光經(jīng)過相同的傳播距離再次被反射回來，就會形成新的干涉圖案。這里有個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，如果一條分量上的光速發(fā)生了變化，那么它就會相對于另外一個(gè)分量上的光發(fā)生滯后。

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在兩束光相遇的時(shí)候干涉條紋就會發(fā)生變化。但是實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是，即使地球在宇宙中以大約30公里/秒的速度繞太陽運(yùn)行，干涉條紋也沒有發(fā)生變化。

這說明不管是哪個(gè)分量上的光，都不會因?yàn)榈厍蛉绱丝焖俚倪\(yùn)動，而速度發(fā)生變化。依然會保持光速。不滿足我們認(rèn)為的速度疊加原理。

所以光速不變并不是愛因斯坦的憑空想象，而是實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。雖然光速不滿足于簡單的速度疊加，但是相對于光速的運(yùn)動，會讓我們看到光線的紅移和藍(lán)移現(xiàn)象。

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在1916年，愛因斯坦最大的成功就是將引力納入了相對論中，為我們重塑了宇宙的時(shí)空結(jié)構(gòu)，在此之前我們用牛頓的引力理論去解釋萬物。

但是出現(xiàn)了一些問題，例如在大質(zhì)量天體或者能量下牛頓引力不夠精準(zhǔn)，解釋光線彎曲的問題上也一樣，而廣義相對論的出現(xiàn)就解決了以上的問題，牛頓引力也成為了相對論引力的一個(gè)近似值。

廣義相對論將引力解釋為質(zhì)量/能量對宇宙時(shí)空的彎曲，而彎曲的時(shí)空又影響著宇宙萬物的運(yùn)動。水星軌道異常進(jìn)動問題，以及1919愛丁頓對日食的觀測證明了廣義相對論的正確。

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新的引力理論和時(shí)空概念，讓我們認(rèn)識到我們身處的宇宙不可能是精致的，它要么在引力的作用下收縮，要么膨脹，總之愛因斯坦的宇宙是一個(gè)動態(tài)的宇宙。

其實(shí)早在1924年，天文學(xué)家就觀測到宇宙中的星系與我們之間的距離和星光的紅移之間有著密切的聯(lián)系，雖然星系都在宇宙中相對運(yùn)動，沒有絕對靜止的物體，但這個(gè)相對的速度只有每秒幾千公里。

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而我們觀測到星光紅移量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于星系相對于運(yùn)動所能帶來的紅移效果。并且我們發(fā)現(xiàn)這些星系離我們越遠(yuǎn)紅移量越大。

根據(jù)愛因斯坦的理論，科學(xué)家們立即就意識到了我們處在一個(gè)加速膨脹的宇宙當(dāng)中，星系退行速度隨著距離的增大是因?yàn)檎麄€(gè)宇宙的時(shí)空在加速膨脹。

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這就跟你蒸面包一樣，面團(tuán)里面的葡萄干就像是宇宙中的星系，當(dāng)面團(tuán)膨脹變大的時(shí)候，里面的葡萄干會互相遠(yuǎn)離對方，并且最遠(yuǎn)的那個(gè)葡萄干似乎遠(yuǎn)離的速度更快。

但這不是因?yàn)槠咸迅苫蛘咝窍翟谶\(yùn)動，它們自認(rèn)為自己一直處在靜止?fàn)顟B(tài)，而變大的是整個(gè)面包或者是時(shí)空。

例如，你現(xiàn)在上海居住，而另外一個(gè)人在北京居住，你們一年時(shí)間都沒有離開自己所在的城市，你們都認(rèn)為自己是靜止的，如果地球在膨脹，那么你們也會認(rèn)為對方在遠(yuǎn)離自己。

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星系也是一樣的道理。宇宙中的第一批星系出現(xiàn)在宇宙誕生后的數(shù)億年間，它們剛出現(xiàn)的時(shí)候，所發(fā)出的光線就開始向外傳播。

經(jīng)過了130億年甚至是更長的時(shí)間，星系的光才到達(dá)地球。這些光線剛被星系發(fā)出來的時(shí)候，可能在紫外線波段，但由于空間在膨脹，光線已經(jīng)被拉伸到了紅外線波段。

我們接收到這些光線，經(jīng)過測量紅移值，我們就得出了星系正在加速遠(yuǎn)離我們，而且速度已經(jīng)超過了光速。

但實(shí)際上這些星系根本就沒有動，更沒有相對于空間以光速運(yùn)動，它們相對于空間的速度估計(jì)只有2%的光速，甚至更低。

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我們說光速是宇宙中的極限速度，意思是萬物相對于空間的運(yùn)動速度不能超過光速。而這個(gè)法則并沒有限制空間本身，空間的膨脹速度并沒有上限，并且它并不會違反因果論，也不會傳遞任何信息。

最主要的是，空間的膨脹并不是我們平時(shí)認(rèn)為的物體的速度，而是單位距離的速度變化率，單位是 km/s/mpc，更像是一個(gè)頻率。

空間的加速膨脹導(dǎo)致了宇宙雖說只有138億年，但我們現(xiàn)在能看到的星系，或者是宇宙的范圍已經(jīng)達(dá)到了461光年的距離。

而且目前180億光年以外的位置，星系推行的速度已經(jīng)超過光速，即使我們現(xiàn)在以光速追這些星系，也永遠(yuǎn)無法到達(dá)。

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