面朝大海808

我們被無數次科普過，說光速是速度極限，且這是我們宇宙的鐵律，沒有任何東西的速度可以比光速快云云。但接著天文學家用它們的觀察結果向我們科普起宇宙的另外一種現實：有些星系正在遠離我們，而且速度比光速還要快！這到底是怎麼回事呢？

實際上：光速的不變性以及光速的極限只能在狹義相對論的宇宙觀下才成立，而狹義相對論實際上是建立在理想的平直時空的時空觀基礎上的，並非是宇宙的真實樣貌。廣義相對論實際上並沒有這個意思呢。我們詳細來講講。

宇宙的膨脹的形式

首先，必須說明的是，我們確實生活在一個不斷擴展的宇宙中。每天，星系彼此之間的平均距離越來越遠。雖然在全宇宙大擴張的背景下，星系之間也會有一些小動作，例如仙女座星系正在像我們的銀河系衝過來。但總的來說，在宇宙的整體宏觀場景中，星系彼此之間的距離是越來越遠的。

這種擴張的一個關鍵特徵是其各向均一性。就像一群人站在一塊彈性織物的邊緣向外拉扯，而且拉的速度非常均勻、平穩。如果觀察者就站在織物下方，他就可以觀察到類似我們“宇宙”擴展的情形——織物上的花紋都在擴張，那些構成花紋的點都在相互遠離。

上圖：宇宙膨脹的示意。

由於是可拉伸的織物，因此雖然織物上的對象都會以一定的速度移開，但是較遠的對象從觀察者的角度看起來會遠離得更快。即使用力拉著織物往外走的一圈人都是以精確而恆定的速度在移動，拉伸的感官速度也會隨著觀察點的不同而不同——不管你在哪個點上觀察，總是越遠的花紋，被拉走的速度越快。如果不信，你可以自己找塊彈力布料試試。但可能小布料的效果沒那麼好，而宇宙這塊超級大的布料，這種效應就非常明顯。這根本上的原因是布料上的每個點都在擴張所致。

宇宙怎麼會以比光速還快的速度膨脹的呢？

埃德溫·哈勃（Edwin Hubble）是第一個度量了宇宙擴張速度的科學家。但當時他通過觀察獲得的宇宙擴張的速度是不準確的，但卻開啟了一個關於宇宙現實的新的視角。現代的測量結論是：宇宙擴張速度是68公里每秒每百萬秒差距左右（一兆秒差距就是100萬秒差距，即326萬光年）。

意思是：

• 如果你看著距離我們1兆秒差距（326萬光年）的星系，它將以68km/s的速度遠離我們；
  

• 如果你看著2兆秒差距的星系，它的後退速度就是136km/s；
  

• 那麼距離我們三兆秒差距的星系呢？——204公里/秒，乘法很簡單是不是？
  

上圖：哈勃法則的解釋。

也就是說：對於每兆秒差距的距離，那個位置的天體的遠離速度加一個68km/s即可。

因此，如果照此算下去，那麼在某個距離上，星系遠離我們的速度就會超過光速。用光速除以68/s乘以326萬光年，我們就可以求出星系後退超光速需要的最大距離。但因為目前我們觀察到的星系都已經有了膨脹的初速度，所以實際上星系後退超光速的距離不需要那麼遠。

同時，宇宙的加速膨脹也是我們已知宇宙的年齡僅為130億年，而已知宇宙的半徑卻達到465億光年的原因。如果宇宙不膨脹，那麼宇宙的半徑就應該是130億光年了。

上圖：可見宇宙直徑。

相對論關於光速極限的宣稱要這麼理解

絕對速度極限為光速的概念來自於狹義相對論，但是沒誰說過狹義相對論必需適用於全宇宙！在狹義相對論中，確實運動速度不能超過光速。但狹義相對論只是物理學的一個局部定律。用個形象的比喻也就是說，狹義相對論就像是某個國家的國內法，不能通用於全世界。

狹義相對論的侷限性就是愛因斯坦在之後推出廣義相對論的原因。巨大的宇宙和遙遠的星系是廣義相對論探討的領域。廣義相對論並沒有限制物體在大尺度上的相對速度不能超光速，或者應該說並不關心遙遠距離的相對速度問題。廣義相對論探討的是能量與宇宙幾何結構之間的關係，速度似乎不是廣義相對論探討的對象。但就算如此，愛因斯坦的廣義相對論場方程還把宇宙擴張的原因定義在裡面了，雖然當時愛因斯坦並不知道那個參數是什麼含義，這個定義就是愛因斯坦當時稱為“宇宙學常數”的東西。但後來的科學家才通過觀測逐步意識到這個宇宙學常數實際上對應著宇宙膨脹的能量來源，他們把它稱為“暗能量”。

上圖：宇宙距離地球不同距離的天體的視覺球面剖面圖。距離越遠紅移越大，表示那個球面正在加速遠離。而驅動這些的是遍佈全宇宙的暗能量（注意解釋為暗能量只是一種假說，也有其它的理論和說法）。

愛因斯坦當時對於宇宙膨脹的情形的瞭解不足，理解不夠深刻，因為在廣義相對論發表之後他才瞭解到了哈勃關於宇宙膨脹的觀測結論，而且愛因斯坦一開始還拒絕了宇宙在膨脹的事實，但在後來又承認了自己的錯誤。正因為這種情況，廣義相對論關於宇宙膨脹的事實的描述似乎有些先天不足。

廣義相對論的“疏忽"

在廣義相對論中，沒有對“遙遠物體的速度”的明確定義。其實在狹義相對論和廣義相對論中光速不變性和光速極限都是有效的，也就是說兩個物體不能以相對速度比光速更快的速度通過彼此。但在狹義相對論中，時空是固定的平坦的閔可夫斯基時空，我們可以選擇一個全局參考系並將該規則擴展到遠處的對象。但在廣義相對論中，這種無限擴展變得不可能，因為在宇宙的不同的地方宇宙的幾何是不同的，不能簡單地擴展。因此，不在同局域的兩個對象之間根本就沒有“速度”的可比性，因為如果你試圖測量兩個遙遠物體的相對速度，那麼就必須將一個物體等效地平移到另一個物體的附近，但這個移動的過程完全取決於移動的路徑，這路徑上的情況就複雜了。生動的比喻就是：在平坦的廣場上比較兩個人的跑步速度是容易的，但是在起伏的山地或者洞穴中比較兩個人的運動速度就很困難，因為地形也決定著他們的速度差異。

上圖：宇宙大尺度上引力透鏡中兩束光線的路徑是不同的，我們怎麼比較光的速度呢？

雖然比較宇宙中兩個星系的速度是不嚴謹的，但宇宙擴張的總體不斷加快的趨勢是客觀存在的，這仍然可以給我們一個大體的認識，即宇宙擴張的速度是可以超光速的。

總結

宇宙膨脹的速度可以超光速，以目前科學界普遍的假說，這是由於暗能量在整個宇宙各向同性地推動所致。

小宇堂

首先不能超光速，是指有質量的物體運動速度不能超過真空中的光速。

當我們應用某個物理學規律時，必須注意它的限定條件和使用範圍。如果違背了這兩者，那麼您就只能得到錯誤的答案或被自然現象所迷惑，認為它們毫無規律可言。

不能超光速這個限制，是來自狹義相對論。它指的是有質量的物體，不能進行超光速的運動，這是因為按照狹義相對論的推論，物體的運動質量並非固定不變，而是一個和速度有關係的變量。

圖示：M為運動質量，m為靜止質量，c為真空光速，v為運動速度。

隨著物體運動速度的增加，其運動質量也隨之增加，當它越來越趨近於真空中的光速時，其質量也將越來越大，這意味著驅動它加速需要的能量將越來越多，而當速度達到真空光速時，其質量將達到無限大，驅動它則需要無限多的能量，而這是不可能的，因此任何靜止質量大於零的物體或粒子都不可能以光速甚至超光速前進。而光子之所以能以光速前進，那是因為它們的靜止質量為零！注意這是指它們的靜止質量。

必須再次提醒，這裡的光速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

一旦脫離這個環境，進入其它允許光在其中穿梭的介質，比如空氣、水和玻璃等，那麼就會存在某些粒子的運動速度超過介質中的光速。因為光在這些介質中會減速，甚至大大減速，比如水中的光速只有真空光速的75%。實際上，當粒子的運動速度超過同樣介質中的光速時，就會發出輻射，這種現象在上世紀四十年代被蘇聯物理學家切倫科夫發現，這就是著名的切倫科夫輻射（Cherenkov radiation）。

圖示：浸泡在水中的核反應堆中的切倫科夫輻射現象，這些漂亮的藍光就是輻射的一種。這就是地球上最常見的“超光速”現象。

這種燦爛的藍色光芒是核裂變產物穿過核心周圍水域的副產品。當粒子從原子核裂變反應中被釋放出來時，初始速度極高，甚至能超過水中的光速，即0.75C。於是，它們會以電磁輻射的形式釋放能量，並減速。所釋放的完整電磁波譜包含伽馬射線、X射線、紫外線，甚至整個可見光譜直到紅外線、微波和無線電波，都有可能。當然，在核反應堆中釋放的粒子，輻射的主要是紫外線，只有少數輻射在藍色可見光範圍內。

空間的膨脹和狹義相對論無關，因此它的膨脹速度不受狹義相對論的限制

宇宙膨脹的基本規律是，離我們越遠的星系遠離我們的速度越快，而這個速度看來不受任何限制，所以 ，只要星系離我們足夠遠，那麼它們遠離我們的速度就能超過光速，這是因為空間本身在膨脹的緣故。

為什麼空間會膨脹？

當前解釋宇宙空間在膨脹的假說，就是著名的大爆炸理論或假說。

在這個假說中，我們現在這個宇宙的空間、時間和物質都來自於這次大爆炸，宇宙起源於一個沒有大小沒有時間沒有物質但擁有難以想象多能量的奇點，然後因為未知的原因，這個奇點“爆炸”了 ，這是一個類比。我們這個宇宙起源於大約137億年前。

換一個角度看宇宙膨脹。從一個奇點，到如今大約900億光年的可觀察宇宙範圍，只用了137億年的時間，這本身也意味著宇宙的平均膨脹速度是以超光速的速度進行的。

而宇宙膨脹得最快的時期，是大爆炸之後的所謂暴漲期，在此期間，宇宙用10^-32秒的時間，擴大了10^78的體積，這是啥意思？這意思就是在時間幾乎沒有走動的瞬間，宇宙從大約1納米的尺寸，擴張成了直徑10.6光年的一個球體。此後，宇宙的膨脹大幅度減緩，但一直延續到現在。所以，光速這種東西，在宇宙曾經的暴漲速度面前相比，比蝸牛還慢。

喜歡就關注唄

裸猿的故事

物理學宇宙奇點大爆炸假說下的“宇宙膨脹模型”，由光的紅移所佐證。說目前宇宙的膨脹速度不但沒減小，相反在加速。奇點爆炸，物質運動，時空彎曲，宇宙膨脹，視界黑洞等概念下的相對論，是基於物體的受力，能量轉換，速度變化的時光認知描述。沒有時間就無法描述運動，沒有光測，就無法實證變化。時與光在物與空上的相對呈現，就是相對論的理與證的基石。這種模型假說，認知方法下所得的宇宙之識是否真呢？當然是不可究竟的！既然是說相對論，那就只能以相對論的理論回答題主所問。說宇宙的膨脹速度超光速，這裡的膨脹，非是指一個物體在一定空間下運動速度，而是指整個宇宙物質空間伸展的運動累積效應。因而並不違背相對論的“物體的運動不可超光速”的結論。那問題又來了。宇宙還有外嗎？又怎麼向外伸展呢？這也難不住愛因斯坦的相對論。因為空間是活的，既是彎曲的，總可以伸開吧！那問題又來了，空間伸到何時，何條件下就空間絕對伸不開了呢？這也不成問題，你可以看得見視界，還有黑洞在吞噬人之所視呢！黑洞是啥？它真在嗎？依據相對論它是一個方程的解了。當然現在有相片了。從奇點到黑洞相對論物理的一個輪迴。自此一個新的物理學說量子力學開講了。就不知量子力學能否圓通這宇宙下的人理麼？而不只是一個理的輪迴。

秋石173407593

施鬱

（復旦大學物理學系教授）

宇宙膨脹的速度不是一個信號從一個地方到另一個地方的速度，所以是可以超過光速的。

說不能超過光速，是因為如果信號從一個地方傳播到另一個地方的速度，那麼會違反因果率。因果律是說，如果一個事情A是另一個事情B的原因，那麼B一定發生在A之前，不管實在什麼參照系中。

這是狹義相對論的推論，不是狹義相對論的基本假設。狹義相對論的基本假設是：1. 物理定律在不同的慣性參照系中都成立，慣性參照系是慣性定律成立的參照系，慣性定律是說物體如果不受外力，就保持靜止或勻速直線運動；2. 在不同的慣性參照系中，光速都是一樣的。

那麼， 怎麼由狹義相對論得到不能超過光速的推論呢？考慮一個信號某個時刻從甲地出發，這是一個事件；另一個時刻到達乙地。在每個慣性參照系的觀測者來看，這兩個事件有時間之差T和距離之差D， 距離之差D除以時間之差T就是信號在這個參照系中的傳播速度u。類似地，在另一個慣性參照系的觀測這來看，這兩個事件有時間之差T’和距離之差D’， 距離之差D’除以時間之差T’就是信號在這第二個參照系中的傳播速度u’。然後，如果在第一個慣性參照系中的信號傳播速度u大於光速，那麼只要第二個慣性參照系相對於當前慣性參照系的速度足夠大，即使小於光速，那麼，在那個慣性參照系中，信號的傳播速度u’是負的。也就是事件的時間順序發生了逆轉，也就是說先收信號，再發出信號。這當然是荒謬的。

但是宇宙膨脹不是信號的傳播，所以大於光速不會違反因果律。

物理文化與施鬱世界線

本題要這麼問，就不可能有任何正確的答案。

宇宙爆脹論，是不可採信的。

這個理論基於哈勃紅移的解釋不是唯一的。

如果哈勃望遠鏡接收的都是紅移，那麼推測恆星在退行，進而推測宇宙起源於一個奇點，還有的商榷。

問題是，除了有哈勃紅移，還有哈勃藍移。最典型的就是仙女座星雲的M31星系在藍移。

如果按照哈勃藍移，那麼就有恆星逼近銀河系的推測，進而推出宇宙收縮論。

顯然，哈勃頻移，是不能用多普勒效應來解釋的，即，“宇宙學紅移”是一個偽命題。

那麼，總得有一個不可能自相矛盾的理論來解釋吧！我的熱力學頻移，解釋如下。

熱力學頻移是哈勃頻移的唯一解釋。

大家知道，恆星的演化，是一個從逐步成長到逐步衰敗的過程。

在恆星的成長期，質量逐漸增加，引力逐漸加大，內部核聚變也會越演越烈，產生的電磁輻射的頻譜也會逐漸上升，這叫“熱力學藍移”。這也是M31之類藍移的真相。

在恆星的衰退期，質量逐漸減少，引力逐漸減少，內部核聚變也會逐漸減弱，產生的電磁輻射的頻譜也會逐漸下降，這叫“熱力學紅移”，這才是哈勃紅移的真實原因。

由此可見，宇宙沒有爆脹之說。宇宙是固有的而無限的，空間也是固有的，空間碰撞的說法不攻自破。

當然，不管是紅移還是藍移，所有恆星發射的電磁波，在她的歷史長旅行中，都是不斷衰減的。最終變成熵最大而能密最低的真空場介質。

“空間無信息”是用來搪塞的偽命題

有些所謂的科學家，意淫一個“空間無信息”的謬論，試圖挽救“宇宙超光速膨脹”的謬論，更是錯上加錯。

其理由是：空間是沒有質量的，是不傳播信息的，空間膨脹也不會傳遞信息，因此可以無限超光速。這是一個不堪一擊的神邏輯。

大家知道，空間絕不是純幾何的數學空間。真空不是虛無，真空有零點能，有能量就有質量。可以查閱卡西米爾效應，有具體測量數據。在此我不做展開。

好了，本答stop here。請關注物理新視野，共同切磋物理邏輯與中英雙語的疑難問題。

物理新視野

超光速膨脹的宇宙中並不包含超光速運動。

解釋起來會複雜，可以用橡皮筋類比宇宙膨脹。先說錯誤的理解:拉扯橡皮筋兩端，橡皮筋不斷伸長，要在一個方向超光速拉長橡皮筋，端點必須超光速運動。

正確的理解:固定橡皮筋兩端，在中間任意取兩點，和橡皮筋垂直反向拉伸(如下圖所示，拉伸為波浪形)，此時，橡皮筋兩端的位置沒有改變，但是橡皮筋不斷伸長，伸長的速度大於拉伸速度。實際上在橡皮筋的每一點都反向拉伸才是宇宙膨脹的模擬，手不夠用，用任意兩點拉伸示意一下。很顯然，拉昇點足夠多時，用常規速度就可以使橡皮筋超光速伸長。

為什麼宇宙膨脹是第二種？宇宙中並沒有一股力量拉伸宇宙膨脹。在宇宙空間中，會不斷產生新的空間，空間的增加是宇宙膨脹的原因。宇宙中任意兩點的空間位置並不會隨著宇宙膨脹而改變，兩點之間距離的增加是因為產生了新的空間，和橡皮筋第二種情況相同。

既然宇宙膨脹是第二種情況，超光速遠離的物體，實際上空間位置並沒有改變，也就沒有超光速運動的說法。這也是曲速引擎的理論基礎:通過壓縮和擴張空間可以實現“超光速”。

飛魚科普

是這樣的，根據狹義相對論，所有有靜止質量的物質都不允許達到光速運動，但並不包括空間本身，宇宙空間本身超過光速膨脹並不違反相對論。1929年哈勃發現宇宙在膨脹以來，物理學家不斷修正宇宙膨脹的係數，就是哈勃常數，哈勃常數根據時間推移需要不斷修正，最新哈勃常數為67.80±0.77(km/s)/Mpc（每百萬秒差距，差不多300萬光年），根據哈勃定律，就可以算出離我們多遠的地方以超光速遠離我們而去。

現在近似的計算，估計我們可觀測宇宙半徑約460億光年左右，但現在時間片時刻半徑大約150億外物質由於空間相對於我們超光速遠離，光永遠無法到達我們這裡，所以我們無法觀測到，並不是不存在物質，希望能解答你，說的比較倉促

人擇原理

所謂不能超光速，是一條基本的設定，意思是說，一切具有靜止質量的物體，都不能超越光速移動，或者有效的傳遞信息。

什麼叫做“有效的傳遞信息”?比如，陳公公一大早打開手機，發現結拜兄弟崔公公給自己發來一條短信：陳白眼，我們今天繼續造謠。陳公公看見這條短信，就立即回覆給崔公公：親愛的崔不群，你放心吧，抹黑栽贓我最拿手。在這裡，崔公公給陳公公發送信息，陳公公收到之後，再回復給崔公公，表示他願意勾結，這就代表著是有效的信息。

那麼，什麼是無效的信息呢?比如，崔公公去世了，按照宗教的說法，也許是下了地獄，也許是去了百慕大魔鬼三角區，也許是進入了高維度空間，陳公公也搞不清楚崔公公死後去了哪裡，於是他給崔公公上了一柱香，禱告說：老崔，我是陳老黑，聽見請回答。崔公公在地獄一個油鍋裡面洗澡，恰好聽見陳公公的禱告，但是他無法回覆崔公公，陳公公傳遞給崔公公的信息，雖然可以抵達地獄，但是崔公公無法反饋。所以，這是無效的信息。

宇宙空間之所以可以膨脹，是因為空間本身沒有質量，不能有效傳遞信息。

懷疑探索者

題主可能就是根據宇宙的半徑（換算成時間，460億年）大於宇宙的年齡（138億年），所以提出宇宙膨脹速度大於光速的問題。

其實，這個膨脹跟吹氣球的膨脹是完全不一樣的！ 舉例說，畫一條直線依次經過A、B、C三個點（或者可以假設剛好是三個恆星的位置），A和B，B和C直接的距離是一直在不斷拉大的（也就是在膨脹中），儘管速度都不超過光速，但從A點看，C點遠離的速度加快了，宇宙中有N個這樣的點，中間都在膨脹，所以最遠的點的遠離速度看起來已經超過了光速！

再說具體一點，距離我們最近的半人馬坐阿爾法星離我們大約4.3光年，等幾百萬年後，距離就大於4.3光年了，這並不是說阿爾法星又跑了，而是它與太陽系中間的空間繼續膨脹了！所以，科學家說，隨著宇宙的膨脹，太空會越來越空曠，也就是恆星直接的距離越來越遠！

那麼我們為什麼可以用望遠鏡觀測到300多億光年遠的恆星呢？ 其實，人們觀察到的恆星發的光都不超過宇宙的年齡，也就是不超過138億年！ 只是宇宙在膨脹，好像是138億年前發出的光而已。

再進一步，那些離我們很遙遠的恆星，現在發出的光，我們永遠也看不到了（哪怕是一萬億年後），因為他們還在加速遠離地球！

逆行者666666

首先，題主認為光速是不能被超越的，這只是一個相對而言的問題。根據愛因斯坦相對論裡描述：任何有質量或攜帶信息的物質都不可能超越光速。如果達到光速，物質質量便會加到無窮大。相反，相對論也認為，只要不攜帶任何能量和信息，超光速就是被允許的。那麼目前人類理論上或實證所知曉的超光速現象都有哪些呢？比如，科學界公認的有：量子力學的波函數，量子糾纏，快子，以及題主提到的宇宙澎脹等，這些超光速都是不違背愛因斯坦的狹義相對論的。因此，宇宙中超光速是真實存在的。

關於宇宙膨脹的超光速問題科學界是這樣解釋的：宇宙在爆炸誕生之初期，曾有過超過光速的暴漲期，至今一直以驚人的速度快速膨脹著。根據廣義相對論，宇宙中存在著物質和能量是宇宙膨脹的必然結果。因為宇宙中的物質，是有引力的，引力勝過膨脹，一切就會坍縮在一起。膨脹強過引力，宇宙就只有無限膨脹。宇宙中雖然存在物質和能量，卻是以空間形式的速度膨脹的，並不違反相對論定律，是允許超光速的。宇宙中任何地方都在無時無刻地膨脹著。科學家認為其膨脹速度是超越光速的。為什麼這麼講呢？因為光子永遠追不上宇宙的膨脹速度。假如光速比宇宙膨脹快，那麼光子就會到達宇宙中的任一個角落，其宇宙邊緣發出的光就會被人類觀測到，正是因為光子追不上宇宙膨脹的速度，才導致宇宙中傳來的光子永遠在朝我們飛來的路上，卻又無法到達。同時我們現在觀測到的來自遙遠天體的光，卻不能在連續的時間段裡觀測到天體連續發出的光，這也是因為空間膨脹的速度比光子快，由於距離越來越遠，觀測就出現了斷層現象。可見，古老光子的傳播速度是永遠跑不過宇宙驚人的空間膨脹速度的。從相對論理論來分析，宇宙膨脹速度必須要超過光子，否則光子就會以靜止的狀態存在。

謝謝大家瀏覽，我是科普作者“紅色高地”，希望下次問答與您不期而遇。下次再次！

關鍵字: 速度 光速 科學