空间扩张下的光

没有什么物体能够超过真空中的光速。换而言之，即便有一个巨大的粒子，它再快，也只能无限接近光速。

爱因斯坦建立相对论宇宙后，几乎改写了牛顿宇宙下的物体运动。空间中的物体运动速度越快，时间上的运动越慢，反之亦然。然而，当我们观察宇宙中遥远的物体时，情况又会出现不同。

截至目前为止，人类所能观察到最远的星系距离地球超过8亿光年，而我们所能看到最远的光则对应在32亿光年外的一个点。如果超过46亿光年之外，那我们就算以光速发送信号，也无法到达彼岸。

但问题在于，光速已是最快的速度，它却仍然无法超越宇宙膨胀的速度，宇宙本身是以超光速在膨胀。在解释这一问题之前，我们需要了解，广义相对论下，关于空间结构建立的模型状态。

空间本身是可以膨胀或收缩的，同时它本身可以是正曲线或负曲线，而非我们直觉理解到的平坦空间。另外，相对论定律适用于在空间中移动的物体，而非空间本身。

举一个例子，如果人在一列每小时161公里的火车上投掷棒球，那么他便是以每小时161公里的速度向前投掷物体。如果从另一个地方看上去，这颗棒球将会以每小时322公里的速度移动。

因此，一般意义上的物体速度不能超越光速，是不能比光在空间中移动的速度更快。然而光并不是按照这种方式运作，它在真空中的移动速度恒定不变。

但宇宙空间本身的变化方式却是反物理直觉的，如今科学家通过测量得知，宇宙在今天的膨胀速度恰好是66~74公里每秒每兆秒（Mpc）差距。空间扩大，意味着什么？

远超光速，无限扩张

广义相对论证明了质量和能量弯曲的空间，以及弯曲的空间决定了质量和能量的运动表明，宇宙的结构如果到处都充满了大致相等数量的物质和能量，那么它就不可能是静态和不变的。

1920年，天体物理学家的观测发现，一个物体与人类的距离所观察到的光的红移量之间存在系统性关系。星系相对于彼此在空间中移动，但速度只有每秒几千公里。

如果我们观察更加遥远星系的实际红移时，它们所对应的衰退速度比这部分数值更大。科学家们幡然醒悟，由于宇宙本身的结构正在膨胀，因此宇宙红移随距离出现缩放。

如果用一把尺子来表示，每个刻度上的星系都能看见其他星系正在远离彼此，而更远的星系会以更快的速度远离彼此。这不是因为尺子上的“刻度”本身相对于所在的星系出现移动，也不是因为单个星系在尺子“刻度”中移动。而是尺子本身，我们把宇宙看作的“尺子“就像空间结构本身一样正在膨胀，刻度上的星系自然也就随之变化。

尽管光的运动速度无法超越，但这种膨胀率如今是以每兆秒7公里的速度在变化。

这意味着一把1米长的尺子，每秒会膨胀约2×10^﹣¹⁸，在一年的时间里，1米宽的空间区域便会扩大约1个原子的直径，但这从人类的角度来看几乎是不可估量的。

前面也提到，不同距离之间的星系相互看上的膨胀速度是不同的。因此，宇宙膨胀没有单一的速度。要想更加直观的表示宇宙的膨胀速度，将其量化为相对增长率更为方便。

如今科学家已经证明，宇宙空间的扩张非常缓慢，宇宙在100万年内仅增加了0.007%。回到问题本身，宇宙膨胀的速度比光快吗？

大膨胀下的命运

事实上这却于我们正在观察的规模，如果仍然按照刚才的例子来看，两个相反方向并且相距2亿光年的星系会在100万年里增加0.007%的距离。对于那些非常远距离的物体，理论上来讲它们确实膨胀得比光更快。

值得一提的是，在这种情况下，代表空间结构的尺子是看不见或直接探测到的，实际上物质本身并没有随着宇宙的膨胀而变得不那么密集。

膨胀率取决于给定空间中“物质“的总量，因此随着宇宙的膨胀，”物质“的距离被稀释，膨胀率下降。因为物质和辐射是由固定数量的粒子组成，随着宇宙膨胀和体积的增加，物质和辐射的密度也会下降。

由于辐射的能量是其本身波长来定义，因此它的下降速度比物质密度快一点。随着宇宙膨胀，波长被拉伸，导致其能量失去。天体物理学家通过进一步的研究发现，大约在3亿年前，暗能量开始主导宇宙的能量密度。

这种变化发生是因为暗能量不会随着宇宙膨胀而稀释，而是保持恒定的能量密度。然而宇宙的膨胀在微观上是如此之小，以至于只能在广阔的时间尺度或遥远的距离上，又或者两者兼备的某种组合中才能被注意到。

如果说我们可以看到目前宇宙中最遥远的物体，由于宇宙膨胀的存在，人类永远无法到达那里。话反过来讲，即便超过我们180亿光年的星系仍会有光亮，光虽在以极限速度传递这份距离，但由于空间结构的膨胀，每个物体之间的距离越来越远。

除非人类能够完全弄清楚并如何克服这一点，否则除了最近的星系外，其他所有远距离的星系可能永远无法触及，星辰大海只能是人类的终极幻想。