Question

都说超光速的现象不存在，为什么宇宙膨胀的速度却比光速快

Answer 1

给运动中的物体输入能量可以进行加速，但物体的移动速度并不会一直增加，而是有极限的，这个极限就是光速。光速为每秒299792.458千米，代表了宇宙间最快的速度，是不可超越的。光速不可超越源自于爱因斯坦的狭义相对论，狭义相对论认为，任何没有静止质量的物体都会以光速进行运动，光子就没有静止质量，所以它就以光速运动。而对于拥有静止质量的物体而言，不论它的质量是多少，都只能无限接近于光速，而不可能达到光速。这是为什么呢？根据质能方程可知，有质量的物体随着运动速度的增加，惯性质量也会相应增加，而惯性质量等效于引力质量，物体的运动速度越快，它的质量就越大，而继续加速所需要的能量也就越大。
宇宙膨胀理论上，随着物体的速度不断接近于光速，它的质量将会趋近于无穷大，而要继续加速，所需要的能量也是无穷大，而根本不可能有无穷大的能量将物体推进到光速，所以任何有质量的物体都无法达到光速。有质量的物体无法达到光速，而静止质量为零的物体同样不能超越光速。即使我们在一个以二分之一光速运动的物体上点亮一盏灯，这盏灯所发出的光相对于静止的我们而言同样是光速，而并非1.5倍光速，因为光速代表了宇宙中最快的速度，它相对于任何参考系而言都是恒定不变的。之所以出现这种反常识的现象，是因为钟慢效应导致运动中的物体上时间的流逝速度变慢了。那么宇宙中真的没有什么能够超越光速吗？似乎并不是，宇宙边缘的膨胀速度就远超光速。
宇宙自诞生伊始就始终处于膨胀之中，而且距离我们越远的区域，它的空间膨胀速度就越快。通过测量其它星系和我们之间的距离变化能够很明显的感觉到这一点，比如室女座星系远离我们的速度可以达到每秒1000多公里，而3亿光年以外的星系，远离的速度就达到了每秒6000公里以上，而已知的距离我们最远的星系的远离速度甚至达到了3倍光速，而在宇宙的边缘，空间膨胀的速度就更快了。那么这是否与狭义相对论中所说的光速最快相矛盾呢？其实并不矛盾，因为光速最快指的是宇宙系统内部的物体运动速度，而时空膨胀和物体运动是两个完全不同的概念。
物体运动指的是物体相对于时空的位置变化，而时空本身则是一个固定的参考系。表面上看起来，那些遥远的星系在以每秒钟数千公里的速度远离我们，但实际上它们并没有移动，而是它们所处的空间发生了膨胀。换一个说法，一个正在高速远离我们的星系相对于它周围的时空而言，实际上它是静止不动的，是时空本身的膨胀导致了它和我们之间的相互远离。正是因为宇宙边缘的膨胀速度远超光速，而我们能够看到一个星系是这个星系的光移动到地球上的结果，所以可观测宇宙的范围是有限的，因为对于那些因时空膨胀而以超光速远离我们的星系，它们的光永远无法传递到我们这里，所以我们也永远无法观测到它们，有时这会让我们感到束手无策。
量子纠缠另一个看似超越了光速的现象是量子纠缠。这里必须要明确光速不可超越的另一个重点，那就是信息的传递速度不可以超越光速。量子纠缠的确能够产生超越光速的反应，但是却无法利用量子纠缠实现信息的传递，所以它与光速最快并不矛盾。我们经常会听到一种说法，那就是“量子通讯”，这很容易让人产生误会。量子通讯并不是利用量子纠缠实现超越光速的信息传递，事实上也根本不可能实现。量子通讯的本质是对信息进行加密，而并非利用量子纠缠实现通信。在实际的应用过程中，利用量子纠缠现象进行量子秘钥分发就是一个典型的例子，简单讲就是让通信双方同时拥有一个随机的安全秘钥，可以大大提高通信的安全性。

Answer 2

你也许会经常听到“宇宙膨胀的速度比光速还快”这样的言论。但是，这种说法和“绿色比快乐更重要”类似，它是完全没有逻辑可言的，甚至不能用对错来评判。

在谈论宇宙膨胀的时候，请记住：宇宙不是在以一个特定的速度膨胀，它膨胀的速度随观测者距离的增加而加快。现在宇宙膨胀的速度大约是每秒70千米每百万秒差距(1秒差距大约等于3光年)。这意味着如果一个星系距离我们大约一百万秒差距，那么它“离我们越来越远”的平均速度为70千米每秒。类似的，距离我们两百万秒差距的星系“离我们越来越远”的平均速度为140千米每秒。

注意文中拗口的措辞：我们说遥远的星系在“离我们越来越远”，而不是在“远离”(因为遥远的星系是随着它们所在空间的膨胀而离我们远去，而不是它自身具有远离我们的速度)。

开始的时候，红点和黄点之间的距离为1，红点和绿点之间的距离为2。当我们将“宇宙”的尺寸变为原来的两倍时，红点和黄点之间的距离变为了2，红点和绿点之间的距离变为了4。黄点退行的速度为1，而绿点的退行速度为2。看起来绿点比黄点“运动”得更快，实际上所有的点在空间膨胀的过程中都是静止的。

想象宇宙膨胀最简单的方法就是想象一个常见的物体膨胀，例如气球。假设你有一个爬满了蚂蚁的气球，然后慢慢地给它充气，那么那些离得非常近的蚂蚁几乎感觉不到气球的膨胀。但是，如果两只蚂蚁相距越远，膨胀导致的距离增长就明显。如果一只在气球一端的蚂蚁尝试去另一端拜访她的姐妹，她也许会发现她们之间的空间距离增长的速度比她们相互靠近的速度更快。

当距离满足蚂蚁爬行导致空间距离以一定速率减小的值和气球膨胀导致空间距离以一定速率增加的值相等时，该距离称为“蚂蚁视界”。任何相距超过该距离的两只蚂蚁将永远无法相遇。相应的，任何位于该距离之内的两只蚂蚁则有可能相遇(如果它们想的话)。在上面的图片中，如果蚂蚁的速度为2，那么从黄点出发的蚂蚁可以到达红点，但是从绿点出发的蚂蚁会发现它和红色的距离始终不变(如果它一直朝红点爬)。

“蚂蚁视界”是一种相当好的可见宇宙边缘的模拟。蚂蚁移动的速度可被其所处在气球的那部分所表现出来。而光传播的速度和它穿过的空间的情况与之类似 (从专业的角度来说，是和在空间中“静止”的物体相关。如果上述从绿点出发的蚂蚁是一束光，地球位于红点，我们会感觉到这个光子仿佛是静止的！因为光向我们靠近的速度和宇宙膨胀的速度刚好相同。如果有外星人在绿色点位置，那么他们会发现这个光子确实以光速远离，因为它们随着空间膨胀而“远离”该光子。当然，上述的描述都是以地球，即红点为参考的情况下)。

我们所能看到最古老的光子，来自非常接近可见宇宙边缘内侧的地方。但这并不是说超过可见宇宙边缘的物体的运动速度就比光速快(几乎所有星系、气体和各种物体的运动速度都比“气球”膨胀的速度要慢得多)，而是来自更远处的光子，由于光速赶不上空间膨胀的速度而无法被我们观测到。可见宇宙外的光子仍旧以光速运动，而且它们也一直在尝试着向我们靠近，但空间膨胀得实在太快了。

接下来，该模拟将不再适用，并且会使我们产生直觉错误。当我们在给气球充气时，气球的两端确实在相互远离。你可以用一把尺(卷尺)和计时器测量，然后发问：“学习物理的伙计们，能告诉我气球膨胀的速度是多少吗？”。更糟糕的是，当一个气球膨胀时，它是向着周围的空间膨胀的。这也引出了一个问题：“宇宙在向什么地方膨胀？”。但请记住，所有物理学家关心的都是宇宙中物体间的关系(气球表面上的东西)。如果你在气球表面上画一幅画，无论气球是被挤压凹下去，甚至是被里外颠倒，你的画都不会发生变化(所有的距离、角度、密度等等都保持相同)。

有趣的是：用气球比喻宇宙可能是完全错误的。因为根据现代天文学最新的观测数据，宇宙是平直的，这代表着宇宙并不是一个封闭的球面或者超球面，即我们在任意方向上走无穷远的距离都不会回到起点。这意味着我们无法用速度来描述宇宙的膨胀(因为我们没有“气球的远端”来做参考，我们只能说，和我们相距多少远的地方，宇宙膨胀速度是多少)。

Answer 3

虽然太阳距离地球有着一个天文单位那么远的距离，但是太阳光从太阳发射出去后只需要大约八分钟就能够照射在地球上，可见光速之快。相对论中指出了任何物质的速度都不可能超过光速，但科学家们发现宇宙膨胀的速度远比光速快，这是为什么呢？

长期以来，人类都认为光速是宇宙中最快的速度，但科学家在发现了宇宙不断膨胀的现象之后，认为宇宙膨胀的速度要比光速快得多。最早将世间万物的速度限制在光速以下的理论是爱因斯坦的相对论，他在该理论中提出了任何物质的运动速度都无法超过光速，甚至连信息的传输也是无法超过光速的。那么宇宙膨胀的速度为何又比光速快呢？它是否违背了相对论呢？

科学家最早发现宇宙膨胀的速度比光速快是在研究宇宙的可观测范围，从目前探索的情况来看人类能够观测到的宇宙直径大约为930亿光。在930亿光年之外是否的空间是否还属于宇宙的，目前不得而知。现在假设宇宙中第一束光随着宇宙大爆炸而产生，如果它在后面的传播过程中并没有受到太大的影响，那么传播到现在应该走过了138亿光年的路程。但是我们能够观测到的宇宙半径为465亿光年，远远比光走过的路程要多三倍多，由此可见宇宙膨胀的速度是比光速快的。
那么宇宙膨胀的速度是否与爱因斯坦的相对论矛盾呢？实际上并不矛盾，因为爱因斯坦在该理论中谈到的是宇宙中的物质，这其中并不包括整个宇宙在内。而且他还指出了，凡是拥有静态质量的物体速度不可能达到光速，而地球上几乎所有的物质都具有静态质量，这也是人类无法实现光速飞行的原因。

那么为什么光速不及宇宙膨胀的速度快呢？起初科学家们也对此感到迷惑，因为人类任何关于宇宙起源的理论都建立在一定的假设基础上，目前并没有实际的证据来证明宇宙大爆炸理论，因此很难解释为什么宇宙膨胀的速度远比光速快。我们可以想象这样的场景，在一个蚂蚁洞口中分布着多只蚂蚁，它们以一定的速度朝不同的方向运动，过了一段时间后蚂蚁运动了一定的距离。但如果这时候蚂蚁运动的表面也在膨胀的话，那么蚂蚁实际上运动的距离是超过了原来的距离的。
后来有科学家提出了一种观点，他认为宇宙的膨胀并非是简单的向外扩张，它或许还包括了维度的扩张。在上个世纪初，天文学家哈勃就利用天文望远镜发现了在银河系之外的许多星系都发生了红移现象。具体的红移现象这里就不再阐述，感兴趣的朋友可以上网搜一下，这种现象的出现说明了银河系之外的星系都在不断地远离银河系。后来哈勃通过实验计算出了哈勃常数H=67.80±0.77km/s/Mpc，该常数说明了宇宙膨胀的速度要比光速快得多。
由此可见宇宙膨胀的速度确实比光速快很多，而且它还不违背相对论。目前科学家们还在研究关于宇宙膨胀的问题，随着宇宙的膨胀，太阳系在宇宙中的位置会越来越边缘化。到时候或许太阳系会位于宇宙的边缘，到达宇宙边缘对于未来人类来说可能是可以实现的。

Answer 4

根据的研究发现，他们认为现在的宇宙依旧处于一个飞速膨胀的时期，在这一阶段宇宙膨胀的速度甚至已经超过光速，这也就意味着我们如果通过射电慢影镜对遥远的宇宙边缘进行观测的话，实际上观测到的已经是非常久远的宇宙边缘，根据科学家们推测，宇宙的直径大约有930亿光年。但是这个边缘很明显，并不是他的真实素质，因为宇宙还处于一个飞速膨胀的时期，所以当我们捕捉到这些信号的时候，宇宙可能已经不知道膨胀到何种地步了。然后我们再回到问题，本身光速作为宇宙当中存在最快的速度，为什么没有超过宇宙膨胀的速度呢？想要回答这个问题，我们首先要明白光是如何产生的，要知道在之前，整个宇宙或者说这个奇点是处于混沌状态。在这个时候，整个世界是一片虚无的，没有任何东西产生，而正是因为宇宙大爆炸之后产生的碰撞，才有了各种各样的物质存在。正是基于这样的条件，才产生了我们现在所熟知的光线光线，作为宇宙大爆炸之后产生的一种物质，从本质上来说，要遵循的其实是宇宙规律，而宇宙对它的定义，其上线就是光速。但这个规律对于宇宙大爆炸后期形成的膨胀速度来说是不具备限制条件的，因为这个条件的制定者就是宇宙本身。而且从某种意义上来说，宇宙的膨胀速度跟光速其实并不是同一个维度的东西。并不是说膨胀的速度就必须要受限于光速的极限速度，我们之所以认为宇宙膨胀的速度要慢于光速才是合理这样的观点，主要是因为我们现实中看到的膨胀，其速度是非常缓慢的，而宇宙大爆炸产生的热量导致其膨胀形成的现象，跟我们日常生活中看到的完全不一样。

Answer 5

光速在真空中的传播速度是30万公里，大质量的天体或者黑洞周围都会将周围的空间变成扭曲状态，光速通过这些扭曲的空间的时候，光速就会发生膨胀而超越光速。