面朝大海808

我们被无数次科普过，说光速是速度极限，且这是我们宇宙的铁律，没有任何东西的速度可以比光速快云云。但接着天文学家用它们的观察结果向我们科普起宇宙的另外一种现实：有些星系正在远离我们，而且速度比光速还要快！这到底是怎么回事呢？

实际上：光速的不变性以及光速的极限只能在狭义相对论的宇宙观下才成立，而狭义相对论实际上是建立在理想的平直时空的时空观基础上的，并非是宇宙的真实样貌。广义相对论实际上并没有这个意思呢。我们详细来讲讲。

宇宙的膨胀的形式

首先，必须说明的是，我们确实生活在一个不断扩展的宇宙中。每天，星系彼此之间的平均距离越来越远。虽然在全宇宙大扩张的背景下，星系之间也会有一些小动作，例如仙女座星系正在像我们的银河系冲过来。但总的来说，在宇宙的整体宏观场景中，星系彼此之间的距离是越来越远的。

这种扩张的一个关键特征是其各向均一性。就像一群人站在一块弹性织物的边缘向外拉扯，而且拉的速度非常均匀、平稳。如果观察者就站在织物下方，他就可以观察到类似我们“宇宙”扩展的情形——织物上的花纹都在扩张，那些构成花纹的点都在相互远离。

上图：宇宙膨胀的示意。

由于是可拉伸的织物，因此虽然织物上的对象都会以一定的速度移开，但是较远的对象从观察者的角度看起来会远离得更快。即使用力拉着织物往外走的一圈人都是以精确而恒定的速度在移动，拉伸的感官速度也会随着观察点的不同而不同——不管你在哪个点上观察，总是越远的花纹，被拉走的速度越快。如果不信，你可以自己找块弹力布料试试。但可能小布料的效果没那么好，而宇宙这块超级大的布料，这种效应就非常明显。这根本上的原因是布料上的每个点都在扩张所致。

宇宙怎么会以比光速还快的速度膨胀的呢？

埃德温·哈勃（Edwin Hubble）是第一个度量了宇宙扩张速度的科学家。但当时他通过观察获得的宇宙扩张的速度是不准确的，但却开启了一个关于宇宙现实的新的视角。现代的测量结论是：宇宙扩张速度是68公里每秒每百万秒差距左右（一兆秒差距就是100万秒差距，即326万光年）。

意思是：

• 如果你看着距离我们1兆秒差距（326万光年）的星系，它将以68km/s的速度远离我们；
  

• 如果你看着2兆秒差距的星系，它的后退速度就是136km/s；
  

• 那么距离我们三兆秒差距的星系呢？——204公里/秒，乘法很简单是不是？
  

上图：哈勃法则的解释。

也就是说：对于每兆秒差距的距离，那个位置的天体的远离速度加一个68km/s即可。

因此，如果照此算下去，那么在某个距离上，星系远离我们的速度就会超过光速。用光速除以68/s乘以326万光年，我们就可以求出星系后退超光速需要的最大距离。但因为目前我们观察到的星系都已经有了膨胀的初速度，所以实际上星系后退超光速的距离不需要那么远。

同时，宇宙的加速膨胀也是我们已知宇宙的年龄仅为130亿年，而已知宇宙的半径却达到465亿光年的原因。如果宇宙不膨胀，那么宇宙的半径就应该是130亿光年了。

上图：可见宇宙直径。

相对论关于光速极限的宣称要这么理解

绝对速度极限为光速的概念来自于狭义相对论，但是没谁说过狭义相对论必需适用于全宇宙！在狭义相对论中，确实运动速度不能超过光速。但狭义相对论只是物理学的一个局部定律。用个形象的比喻也就是说，狭义相对论就像是某个国家的国内法，不能通用于全世界。

狭义相对论的局限性就是爱因斯坦在之后推出广义相对论的原因。巨大的宇宙和遥远的星系是广义相对论探讨的领域。广义相对论并没有限制物体在大尺度上的相对速度不能超光速，或者应该说并不关心遥远距离的相对速度问题。广义相对论探讨的是能量与宇宙几何结构之间的关系，速度似乎不是广义相对论探讨的对象。但就算如此，爱因斯坦的广义相对论场方程还把宇宙扩张的原因定义在里面了，虽然当时爱因斯坦并不知道那个参数是什么含义，这个定义就是爱因斯坦当时称为“宇宙学常数”的东西。但后来的科学家才通过观测逐步意识到这个宇宙学常数实际上对应着宇宙膨胀的能量来源，他们把它称为“暗能量”。

上图：宇宙距离地球不同距离的天体的视觉球面剖面图。距离越远红移越大，表示那个球面正在加速远离。而驱动这些的是遍布全宇宙的暗能量（注意解释为暗能量只是一种假说，也有其它的理论和说法）。

爱因斯坦当时对于宇宙膨胀的情形的了解不足，理解不够深刻，因为在广义相对论发表之后他才了解到了哈勃关于宇宙膨胀的观测结论，而且爱因斯坦一开始还拒绝了宇宙在膨胀的事实，但在后来又承认了自己的错误。正因为这种情况，广义相对论关于宇宙膨胀的事实的描述似乎有些先天不足。

广义相对论的“疏忽"

在广义相对论中，没有对“遥远物体的速度”的明确定义。其实在狭义相对论和广义相对论中光速不变性和光速极限都是有效的，也就是说两个物体不能以相对速度比光速更快的速度通过彼此。但在狭义相对论中，时空是固定的平坦的闵可夫斯基时空，我们可以选择一个全局参考系并将该规则扩展到远处的对象。但在广义相对论中，这种无限扩展变得不可能，因为在宇宙的不同的地方宇宙的几何是不同的，不能简单地扩展。因此，不在同局域的两个对象之间根本就没有“速度”的可比性，因为如果你试图测量两个遥远物体的相对速度，那么就必须将一个物体等效地平移到另一个物体的附近，但这个移动的过程完全取决于移动的路径，这路径上的情况就复杂了。生动的比喻就是：在平坦的广场上比较两个人的跑步速度是容易的，但是在起伏的山地或者洞穴中比较两个人的运动速度就很困难，因为地形也决定着他们的速度差异。

上图：宇宙大尺度上引力透镜中两束光线的路径是不同的，我们怎么比较光的速度呢？

虽然比较宇宙中两个星系的速度是不严谨的，但宇宙扩张的总体不断加快的趋势是客观存在的，这仍然可以给我们一个大体的认识，即宇宙扩张的速度是可以超光速的。

总结

宇宙膨胀的速度可以超光速，以目前科学界普遍的假说，这是由于暗能量在整个宇宙各向同性地推动所致。

小宇堂

首先不能超光速，是指有质量的物体运动速度不能超过真空中的光速。

当我们应用某个物理学规律时，必须注意它的限定条件和使用范围。如果违背了这两者，那么您就只能得到错误的答案或被自然现象所迷惑，认为它们毫无规律可言。

不能超光速这个限制，是来自狭义相对论。它指的是有质量的物体，不能进行超光速的运动，这是因为按照狭义相对论的推论，物体的运动质量并非固定不变，而是一个和速度有关系的变量。

图示：M为运动质量，m为静止质量，c为真空光速，v为运动速度。

随着物体运动速度的增加，其运动质量也随之增加，当它越来越趋近于真空中的光速时，其质量也将越来越大，这意味着驱动它加速需要的能量将越来越多，而当速度达到真空光速时，其质量将达到无限大，驱动它则需要无限多的能量，而这是不可能的，因此任何静止质量大于零的物体或粒子都不可能以光速甚至超光速前进。而光子之所以能以光速前进，那是因为它们的静止质量为零！注意这是指它们的静止质量。

必须再次提醒，这里的光速C，都是指真空中的光速。

超越非真空光速的超光速粒子是存在的

一旦脱离这个环境，进入其它允许光在其中穿梭的介质，比如空气、水和玻璃等，那么就会存在某些粒子的运动速度超过介质中的光速。因为光在这些介质中会减速，甚至大大减速，比如水中的光速只有真空光速的75%。实际上，当粒子的运动速度超过同样介质中的光速时，就会发出辐射，这种现象在上世纪四十年代被苏联物理学家切伦科夫发现，这就是著名的切伦科夫辐射（Cherenkov radiation）。

图示：浸泡在水中的核反应堆中的切伦科夫辐射现象，这些漂亮的蓝光就是辐射的一种。这就是地球上最常见的“超光速”现象。

这种灿烂的蓝色光芒是核裂变产物穿过核心周围水域的副产品。当粒子从原子核裂变反应中被释放出来时，初始速度极高，甚至能超过水中的光速，即0.75C。于是，它们会以电磁辐射的形式释放能量，并减速。所释放的完整电磁波谱包含伽马射线、X射线、紫外线，甚至整个可见光谱直到红外线、微波和无线电波，都有可能。当然，在核反应堆中释放的粒子，辐射的主要是紫外线，只有少数辐射在蓝色可见光范围内。

空间的膨胀和狭义相对论无关，因此它的膨胀速度不受狭义相对论的限制

宇宙膨胀的基本规律是，离我们越远的星系远离我们的速度越快，而这个速度看来不受任何限制，所以 ，只要星系离我们足够远，那么它们远离我们的速度就能超过光速，这是因为空间本身在膨胀的缘故。

为什么空间会膨胀？

当前解释宇宙空间在膨胀的假说，就是著名的大爆炸理论或假说。

在这个假说中，我们现在这个宇宙的空间、时间和物质都来自于这次大爆炸，宇宙起源于一个没有大小没有时间没有物质但拥有难以想象多能量的奇点，然后因为未知的原因，这个奇点“爆炸”了 ，这是一个类比。我们这个宇宙起源于大约137亿年前。

换一个角度看宇宙膨胀。从一个奇点，到如今大约900亿光年的可观察宇宙范围，只用了137亿年的时间，这本身也意味着宇宙的平均膨胀速度是以超光速的速度进行的。

而宇宙膨胀得最快的时期，是大爆炸之后的所谓暴涨期，在此期间，宇宙用10^-32秒的时间，扩大了10^78的体积，这是啥意思？这意思就是在时间几乎没有走动的瞬间，宇宙从大约1纳米的尺寸，扩张成了直径10.6光年的一个球体。此后，宇宙的膨胀大幅度减缓，但一直延续到现在。所以，光速这种东西，在宇宙曾经的暴涨速度面前相比，比蜗牛还慢。

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裸猿的故事

物理学宇宙奇点大爆炸假说下的“宇宙膨胀模型”，由光的红移所佐证。说目前宇宙的膨胀速度不但没减小，相反在加速。奇点爆炸，物质运动，时空弯曲，宇宙膨胀，视界黑洞等概念下的相对论，是基于物体的受力，能量转换，速度变化的时光认知描述。没有时间就无法描述运动，没有光测，就无法实证变化。时与光在物与空上的相对呈现，就是相对论的理与证的基石。这种模型假说，认知方法下所得的宇宙之识是否真呢？当然是不可究竟的！既然是说相对论，那就只能以相对论的理论回答题主所问。说宇宙的膨胀速度超光速，这里的膨胀，非是指一个物体在一定空间下运动速度，而是指整个宇宙物质空间伸展的运动累积效应。因而并不违背相对论的“物体的运动不可超光速”的结论。那问题又来了。宇宙还有外吗？又怎么向外伸展呢？这也难不住爱因斯坦的相对论。因为空间是活的，既是弯曲的，总可以伸开吧！那问题又来了，空间伸到何时，何条件下就空间绝对伸不开了呢？这也不成问题，你可以看得见视界，还有黑洞在吞噬人之所视呢！黑洞是啥？它真在吗？依据相对论它是一个方程的解了。当然现在有相片了。从奇点到黑洞相对论物理的一个轮回。自此一个新的物理学说量子力学开讲了。就不知量子力学能否圆通这宇宙下的人理么？而不只是一个理的轮回。

秋石173407593

施郁

（复旦大学物理学系教授）

宇宙膨胀的速度不是一个信号从一个地方到另一个地方的速度，所以是可以超过光速的。

说不能超过光速，是因为如果信号从一个地方传播到另一个地方的速度，那么会违反因果率。因果律是说，如果一个事情A是另一个事情B的原因，那么B一定发生在A之前，不管实在什么参照系中。

这是狭义相对论的推论，不是狭义相对论的基本假设。狭义相对论的基本假设是：1. 物理定律在不同的惯性参照系中都成立，惯性参照系是惯性定律成立的参照系，惯性定律是说物体如果不受外力，就保持静止或匀速直线运动；2. 在不同的惯性参照系中，光速都是一样的。

那么， 怎么由狭义相对论得到不能超过光速的推论呢？考虑一个信号某个时刻从甲地出发，这是一个事件；另一个时刻到达乙地。在每个惯性参照系的观测者来看，这两个事件有时间之差T和距离之差D， 距离之差D除以时间之差T就是信号在这个参照系中的传播速度u。类似地，在另一个惯性参照系的观测这来看，这两个事件有时间之差T’和距离之差D’， 距离之差D’除以时间之差T’就是信号在这第二个参照系中的传播速度u’。然后，如果在第一个惯性参照系中的信号传播速度u大于光速，那么只要第二个惯性参照系相对于当前惯性参照系的速度足够大，即使小于光速，那么，在那个惯性参照系中，信号的传播速度u’是负的。也就是事件的时间顺序发生了逆转，也就是说先收信号，再发出信号。这当然是荒谬的。

但是宇宙膨胀不是信号的传播，所以大于光速不会违反因果律。

物理文化与施郁世界线

本题要这么问，就不可能有任何正确的答案。

宇宙爆胀论，是不可采信的。

这个理论基于哈勃红移的解释不是唯一的。

如果哈勃望远镜接收的都是红移，那么推测恒星在退行，进而推测宇宙起源于一个奇点，还有的商榷。

问题是，除了有哈勃红移，还有哈勃蓝移。最典型的就是仙女座星云的M31星系在蓝移。

如果按照哈勃蓝移，那么就有恒星逼近银河系的推测，进而推出宇宙收缩论。

显然，哈勃频移，是不能用多普勒效应来解释的，即，“宇宙学红移”是一个伪命题。

那么，总得有一个不可能自相矛盾的理论来解释吧！我的热力学频移，解释如下。

热力学频移是哈勃频移的唯一解释。

大家知道，恒星的演化，是一个从逐步成长到逐步衰败的过程。

在恒星的成长期，质量逐渐增加，引力逐渐加大，内部核聚变也会越演越烈，产生的电磁辐射的频谱也会逐渐上升，这叫“热力学蓝移”。这也是M31之类蓝移的真相。

在恒星的衰退期，质量逐渐减少，引力逐渐减少，内部核聚变也会逐渐减弱，产生的电磁辐射的频谱也会逐渐下降，这叫“热力学红移”，这才是哈勃红移的真实原因。

由此可见，宇宙没有爆胀之说。宇宙是固有的而无限的，空间也是固有的，空间碰撞的说法不攻自破。

当然，不管是红移还是蓝移，所有恒星发射的电磁波，在她的历史长旅行中，都是不断衰减的。最终变成熵最大而能密最低的真空场介质。

“空间无信息”是用来搪塞的伪命题

有些所谓的科学家，意淫一个“空间无信息”的谬论，试图挽救“宇宙超光速膨胀”的谬论，更是错上加错。

其理由是：空间是没有质量的，是不传播信息的，空间膨胀也不会传递信息，因此可以无限超光速。这是一个不堪一击的神逻辑。

大家知道，空间绝不是纯几何的数学空间。真空不是虚无，真空有零点能，有能量就有质量。可以查阅卡西米尔效应，有具体测量数据。在此我不做展开。

好了，本答stop here。请关注物理新视野，共同切磋物理逻辑与中英双语的疑难问题。

物理新视野

超光速膨胀的宇宙中并不包含超光速运动。

解释起来会复杂，可以用橡皮筋类比宇宙膨胀。先说错误的理解:拉扯橡皮筋两端，橡皮筋不断伸长，要在一个方向超光速拉长橡皮筋，端点必须超光速运动。

正确的理解:固定橡皮筋两端，在中间任意取两点，和橡皮筋垂直反向拉伸(如下图所示，拉伸为波浪形)，此时，橡皮筋两端的位置没有改变，但是橡皮筋不断伸长，伸长的速度大于拉伸速度。实际上在橡皮筋的每一点都反向拉伸才是宇宙膨胀的模拟，手不够用，用任意两点拉伸示意一下。很显然，拉升点足够多时，用常规速度就可以使橡皮筋超光速伸长。

为什么宇宙膨胀是第二种？宇宙中并没有一股力量拉伸宇宙膨胀。在宇宙空间中，会不断产生新的空间，空间的增加是宇宙膨胀的原因。宇宙中任意两点的空间位置并不会随着宇宙膨胀而改变，两点之间距离的增加是因为产生了新的空间，和橡皮筋第二种情况相同。

既然宇宙膨胀是第二种情况，超光速远离的物体，实际上空间位置并没有改变，也就没有超光速运动的说法。这也是曲速引擎的理论基础:通过压缩和扩张空间可以实现“超光速”。

飞鱼科普

是这样的，根据狭义相对论，所有有静止质量的物质都不允许达到光速运动，但并不包括空间本身，宇宙空间本身超过光速膨胀并不违反相对论。1929年哈勃发现宇宙在膨胀以来，物理学家不断修正宇宙膨胀的系数，就是哈勃常数，哈勃常数根据时间推移需要不断修正，最新哈勃常数为67.80±0.77(km/s)/Mpc（每百万秒差距，差不多300万光年），根据哈勃定律，就可以算出离我们多远的地方以超光速远离我们而去。

现在近似的计算，估计我们可观测宇宙半径约460亿光年左右，但现在时间片时刻半径大约150亿外物质由于空间相对于我们超光速远离，光永远无法到达我们这里，所以我们无法观测到，并不是不存在物质，希望能解答你，说的比较仓促

人择原理

所谓不能超光速，是一条基本的设定，意思是说，一切具有静止质量的物体，都不能超越光速移动，或者有效的传递信息。

什么叫做“有效的传递信息”?比如，陈公公一大早打开手机，发现结拜兄弟崔公公给自己发来一条短信：陈白眼，我们今天继续造谣。陈公公看见这条短信，就立即回复给崔公公：亲爱的崔不群，你放心吧，抹黑栽赃我最拿手。在这里，崔公公给陈公公发送信息，陈公公收到之后，再回复给崔公公，表示他愿意勾结，这就代表着是有效的信息。

那么，什么是无效的信息呢?比如，崔公公去世了，按照宗教的说法，也许是下了地狱，也许是去了百慕大魔鬼三角区，也许是进入了高维度空间，陈公公也搞不清楚崔公公死后去了哪里，于是他给崔公公上了一柱香，祷告说：老崔，我是陈老黑，听见请回答。崔公公在地狱一个油锅里面洗澡，恰好听见陈公公的祷告，但是他无法回复崔公公，陈公公传递给崔公公的信息，虽然可以抵达地狱，但是崔公公无法反馈。所以，这是无效的信息。

宇宙空间之所以可以膨胀，是因为空间本身没有质量，不能有效传递信息。

怀疑探索者

题主可能就是根据宇宙的半径（换算成时间，460亿年）大于宇宙的年龄（138亿年），所以提出宇宙膨胀速度大于光速的问题。

其实，这个膨胀跟吹气球的膨胀是完全不一样的！ 举例说，画一条直线依次经过A、B、C三个点（或者可以假设刚好是三个恒星的位置），A和B，B和C直接的距离是一直在不断拉大的（也就是在膨胀中），尽管速度都不超过光速，但从A点看，C点远离的速度加快了，宇宙中有N个这样的点，中间都在膨胀，所以最远的点的远离速度看起来已经超过了光速！

再说具体一点，距离我们最近的半人马坐阿尔法星离我们大约4.3光年，等几百万年后，距离就大于4.3光年了，这并不是说阿尔法星又跑了，而是它与太阳系中间的空间继续膨胀了！所以，科学家说，随着宇宙的膨胀，太空会越来越空旷，也就是恒星直接的距离越来越远！

那么我们为什么可以用望远镜观测到300多亿光年远的恒星呢？ 其实，人们观察到的恒星发的光都不超过宇宙的年龄，也就是不超过138亿年！ 只是宇宙在膨胀，好像是138亿年前发出的光而已。

再进一步，那些离我们很遥远的恒星，现在发出的光，我们永远也看不到了（哪怕是一万亿年后），因为他们还在加速远离地球！

逆行者666666

首先，题主认为光速是不能被超越的，这只是一个相对而言的问题。根据爱因斯坦相对论里描述：任何有质量或携带信息的物质都不可能超越光速。如果达到光速，物质质量便会加到无穷大。相反，相对论也认为，只要不携带任何能量和信息，超光速就是被允许的。那么目前人类理论上或实证所知晓的超光速现象都有哪些呢？比如，科学界公认的有：量子力学的波函数，量子纠缠，快子，以及题主提到的宇宙澎胀等，这些超光速都是不违背爱因斯坦的狭义相对论的。因此，宇宙中超光速是真实存在的。

关于宇宙膨胀的超光速问题科学界是这样解释的：宇宙在爆炸诞生之初期，曾有过超过光速的暴涨期，至今一直以惊人的速度快速膨胀着。根据广义相对论，宇宙中存在着物质和能量是宇宙膨胀的必然结果。因为宇宙中的物质，是有引力的，引力胜过膨胀，一切就会坍缩在一起。膨胀强过引力，宇宙就只有无限膨胀。宇宙中虽然存在物质和能量，却是以空间形式的速度膨胀的，并不违反相对论定律，是允许超光速的。宇宙中任何地方都在无时无刻地膨胀着。科学家认为其膨胀速度是超越光速的。为什么这么讲呢？因为光子永远追不上宇宙的膨胀速度。假如光速比宇宙膨胀快，那么光子就会到达宇宙中的任一个角落，其宇宙边缘发出的光就会被人类观测到，正是因为光子追不上宇宙膨胀的速度，才导致宇宙中传来的光子永远在朝我们飞来的路上，却又无法到达。同时我们现在观测到的来自遥远天体的光，却不能在连续的时间段里观测到天体连续发出的光，这也是因为空间膨胀的速度比光子快，由于距离越来越远，观测就出现了断层现象。可见，古老光子的传播速度是永远跑不过宇宙惊人的空间膨胀速度的。从相对论理论来分析，宇宙膨胀速度必须要超过光子，否则光子就会以静止的状态存在。

谢谢大家浏览，我是科普作者“红色高地”，希望下次问答与您不期而遇。下次再次！

關鍵字: 宇宙 速度 光速