既然宇宙膨脹超光速，為啥還能看到遙遠(yuǎn)的星光？

現(xiàn)代科學(xué)認(rèn)為，宇宙膨脹比光速還要快。這樣就有了兩個(gè)問(wèn)題，一是科學(xué)認(rèn)為這個(gè)世界上沒(méi)有超過(guò)光速的物質(zhì)，又說(shuō)宇宙膨脹超光速，這個(gè)科學(xué)不是很矛盾？二是宇宙膨脹既然超過(guò)光速，而依賴(lài)光觀測(cè)世界的人類(lèi)，怎么能夠看到那些超光速離開(kāi)我們的天體呢？

這是很多人都迷惑的一個(gè)問(wèn)題，今天時(shí)空通訊就更通俗的來(lái)說(shuō)一說(shuō)這個(gè)問(wèn)題。

先說(shuō)說(shuō)光速。

古代，人們并不知道光有速度，一直到300年前偉大的科學(xué)先驅(qū)伽利略才意識(shí)到這個(gè)問(wèn)題，他想測(cè)量一下光的速度到底有多快，就讓兩個(gè)人分別站立在距離1英里的山頭，用秒表記錄雙方舉燈的時(shí)間間隔。這種原始方法但仍無(wú)法測(cè)量出飛快的光速，但為后人測(cè)量光速開(kāi)了一個(gè)頭。

于是經(jīng)過(guò)300多年一代代科學(xué)家的努力，光速越來(lái)越接近真相。但由于光速太快，機(jī)械測(cè)量方法是不可能得到精準(zhǔn)數(shù)值的，一直到了上世紀(jì)七十年代，科技已經(jīng)有了足夠的進(jìn)步后，才用激光測(cè)速法測(cè)得了更為精準(zhǔn)的光速值，1975年國(guó)際計(jì)量大會(huì)決定，現(xiàn)代真空光速值為c=299792458m/s。

因此光速是科學(xué)測(cè)量出來(lái)的數(shù)值，不是隨便猜測(cè)出來(lái)的。

愛(ài)因斯坦狹義相對(duì)論對(duì)光速的性質(zhì)做了3個(gè)定義，即：光速極限、光速不變。迄今這些光速的性質(zhì)已經(jīng)被無(wú)數(shù)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所證實(shí)，沒(méi)有一例反證出現(xiàn)，因此真空光速已經(jīng)成為現(xiàn)代物理學(xué)最重要的一個(gè)常數(shù)，成為我們觀察認(rèn)知這個(gè)世界的前提，它貫穿于現(xiàn)代科學(xué)研究的任何領(lǐng)域。

光速極限，就是光速是我們宇宙最高物質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度，任何有質(zhì)量的物體都無(wú)法超越；光速不變，就是在任何參考系中，光速是不變的，光速與任何速度疊加，得到的仍然是光速。

既然光有速度，我們看到的世界就不可能是“即時(shí)”的。

這里特別指出一個(gè)誤區(qū)：有人老以為眼光最快，看到哪就到了哪，幾億光年的星系我們一樣就能夠看到。這種認(rèn)知是顛倒的，其實(shí)眼睛不會(huì)發(fā)光，而是光傳遞到我們眼睛才能夠看到，我們看到幾億光年遠(yuǎn)的天體，是因?yàn)槟莻€(gè)天體的光已經(jīng)運(yùn)行了幾億年才到達(dá)我們這里，如果沒(méi)有光的傳播，我們就什么也看不到。

光的傳播雖然很快，但還是有速度的，因此我們看到的任何物體就都不是“即時(shí)”的。

何謂即時(shí)？就是現(xiàn)在、當(dāng)下。也就是說(shuō)，我們看到的東西是現(xiàn)在、當(dāng)下的東西嗎？如果我說(shuō)不是，很多人一定會(huì)覺(jué)得匪夷所思。比如說(shuō)我看到一位朋友在50米遠(yuǎn)的地方走過(guò)，于是我打個(gè)招呼：“嗨！”然后她回應(yīng)：“你好！”難道我看到的她不是現(xiàn)在，而是過(guò)去的？

是的，這就是奇妙的光速導(dǎo)致的效應(yīng)。光速約每秒3億米，這位50米距離的朋友，人體反射的光到達(dá)我的視網(wǎng)膜就需要6000萬(wàn)分之1秒，因此我看到的這位朋友就是6000萬(wàn)分之1秒前的樣子了。由于光速極快，有人覺(jué)得這點(diǎn)時(shí)間變化也有過(guò)去現(xiàn)在之分，實(shí)在是吹毛求疵。

這種想法并非一點(diǎn)道理也沒(méi)有，因?yàn)榈厍虮旧碇荛L(zhǎng)才40000千米，光圍繞著轉(zhuǎn)一圈只需要0.13秒，何況人的眼光看不了多遠(yuǎn)，這點(diǎn)時(shí)間完全沒(méi)必要計(jì)較。其實(shí)不然，如果出了地球呢？

月球的光到視網(wǎng)膜需要1秒多時(shí)間，我們看到的月球就是1秒前的樣子，火星之光到達(dá)我們眼簾需要數(shù)分鐘，我們看到的火星就是數(shù)分鐘前的樣子。同理，幾光年、幾萬(wàn)光年、幾億光年距離的天體，我們看到的就是幾年、幾萬(wàn)年、幾億年前的樣子。這樣你還覺(jué)得沒(méi)必要計(jì)較嗎？

如何理解事件發(fā)生的“過(guò)去時(shí)”？

很多人難以理解這種看到物體的“過(guò)去時(shí)”，打個(gè)小比方可能大家就清楚了：我們看到較遠(yuǎn)的地方有人在放煙花，當(dāng)絢麗的煙花盛開(kāi)時(shí)，我們聽(tīng)不到聲音，煙花熄滅時(shí)，我們才能夠聽(tīng)到煙花爆裂的聲音。這是因?yàn)橐羲俦裙馑俾嗔?，我們眼睛先看到光，然后耳朵才?tīng)到聲音。閃電和打雷的時(shí)間差也是這個(gè)道理。

假定我們沒(méi)有眼睛，只是依靠光速來(lái)判定事物變化，我們能夠以聽(tīng)到的聲音來(lái)判定這是“即時(shí)”發(fā)生的事情嗎？不能，肯定要用距離除以音速，才能得到這件事發(fā)生的真實(shí)事件，說(shuō)明這件事是“過(guò)去”發(fā)生的了。

音速在空氣中傳播的速度約340m/s，如果1km外傳來(lái)爆炸聲，爆炸就發(fā)生在約3秒前，如果在10km遠(yuǎn)傳來(lái)爆炸聲，爆炸就發(fā)生在29秒前；如果50km外傳來(lái)的爆炸聲，爆炸就發(fā)生在2分多鐘前。

宇宙膨脹是怎么回事？

通俗點(diǎn)講，宇宙膨脹有點(diǎn)像我們吹氣球，整個(gè)氣球疊加起來(lái)的膨脹速度是很快的，球面上每一個(gè)點(diǎn)之間分開(kāi)的速度并不快。不信，你看看氣球上的花紋，假定自己在某一個(gè)點(diǎn)，附近的點(diǎn)離開(kāi)自己就很慢，所有的點(diǎn)都是均勻散開(kāi)，這些點(diǎn)散開(kāi)的速度疊加起來(lái)，距離最遠(yuǎn)的那個(gè)點(diǎn)速度就最快。

科學(xué)家們觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，宇宙膨脹速度是均勻的，各向同性的。就是說(shuō)不管在宇宙什么地方，膨脹速度都是一樣的，從地球上看，各個(gè)方向的遠(yuǎn)方星系都是離我們遠(yuǎn)去，速度與距離成正比例關(guān)系，也就是說(shuō)，距離越近離開(kāi)我們速度越慢，越遠(yuǎn)越快。

科學(xué)家們幾十年來(lái)一直在測(cè)量宇宙膨脹速度，采用的方式是測(cè)出哈勃常數(shù)，就是在距離我們百萬(wàn)秒差距（約326萬(wàn)光年）的地方，宇宙的膨脹速率有多快。多次多種方法測(cè)量數(shù)據(jù)并不一致，在67.8km~82.4km/s之間，我們?nèi)∫粋€(gè)中間值為75.1km/s，根據(jù)哈勃定律，我們就能夠計(jì)算出可觀測(cè)宇宙最遠(yuǎn)處的宇宙膨脹速度。

哈勃定律公式為：Vf = Hc x D

這里的Vf為目標(biāo)星系遠(yuǎn)離速率，單位：km/s；Hc為哈勃常數(shù)，單位：km/(s·Mpc)；D為相對(duì)地球的距離，單位：Mpc（百萬(wàn)秒差距，也就是約326萬(wàn)光年）。

現(xiàn)在科學(xué)研究認(rèn)為，可觀測(cè)宇宙半徑為465億光年，根據(jù)哈勃常數(shù)為75.1km，代入公式可計(jì)算出可觀測(cè)宇宙邊際的星系離開(kāi)我們的速率約為1071211.6km/s，約光速的3.57倍。所謂宇宙膨脹超過(guò)光速就是這樣來(lái)的，但距離我們較近的星系膨脹并不快，如前面說(shuō)的哈勃常數(shù)，只有75.1km/s。

一般來(lái)說(shuō)，更近的星系受到萬(wàn)有引力影響，并不適用哈勃常數(shù)和哈勃定律，有的還在相互靠近。比如銀河系和仙女座星系，距離254萬(wàn)光年，兩個(gè)星系受到引力相互影響，正在以每秒約300千米速度靠近，根據(jù)這個(gè)趨勢(shì)，在未來(lái)30億年左右會(huì)發(fā)生碰撞融合，最終合并成為一個(gè)更大的橢圓星系。

但這并不能否定整個(gè)宇宙大尺度的均勻膨脹。

宇宙膨脹超光速，怎么還能看到遙遠(yuǎn)的星系呢？

其實(shí)我們看了前面說(shuō)的宇宙膨脹規(guī)律，就應(yīng)該知道只是足夠遠(yuǎn)的星系離開(kāi)我們速度才會(huì)超過(guò)光速，較近距離的星系離開(kāi)速度是沒(méi)有超過(guò)光速的，這樣我們能夠看到它們就沒(méi)什么疑義了吧？那么超過(guò)光速離開(kāi)我們的星系，我們是怎么能夠看到呢？

根據(jù)哈勃定律，我們可以計(jì)算出距離我們約136.8億光年的星系，離開(kāi)我們的速度就達(dá)到光速，我們?cè)趺茨軌蚩吹竭@個(gè)星系呢？這是因?yàn)椴还芩允裁此俣入x開(kāi)我們，但在那個(gè)位置已經(jīng)發(fā)出的光還是會(huì)以光速向我們傳遞過(guò)來(lái)，因此，那個(gè)星系發(fā)出的光在136.8億年后，我們就能夠看到。

但有一定需要說(shuō)明的是，我們看到的這個(gè)星系是136.8億年前的了，如果這個(gè)星系依然是以光速在離開(kāi)我們的話(huà)，那么它現(xiàn)在的位置就已經(jīng)在距我們263.6億光年的地方了。由于宇宙本身一直在膨脹，遠(yuǎn)近星系離開(kāi)的速度不一樣，星系與我們距離計(jì)算方式是共進(jìn)距離，這是一個(gè)復(fù)雜計(jì)算方式，結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于簡(jiǎn)單計(jì)算，這里就不細(xì)講了。

同理，距離我們更遠(yuǎn)的465億光年可觀測(cè)宇宙邊沿，那里的星系離開(kāi)我們的速度是3.57倍光速，但它在那個(gè)位置發(fā)出的光仍然會(huì)以光速向我們傳遞過(guò)來(lái)，我們看到的這個(gè)星系就是465億年前的樣子了，它現(xiàn)在的實(shí)際位置按照共動(dòng)距離計(jì)算，早就在數(shù)千光年以外了。

特別指出，可觀測(cè)宇宙不是我們現(xiàn)在望遠(yuǎn)鏡可以看到的宇宙，而是經(jīng)過(guò)理論計(jì)算出來(lái)的宇宙哈勃體積，實(shí)際上現(xiàn)在距我們460億光年距離的星系，通過(guò)紅移和宇宙學(xué)公式計(jì)算，當(dāng)時(shí)它們離我們僅僅只有4200萬(wàn)光年之遠(yuǎn)。

宇宙有一個(gè)未來(lái)視界。

這個(gè)未來(lái)視界就是人類(lèi)可能了解的一個(gè)邊際，這個(gè)邊際就是可觀測(cè)宇宙。也就是說(shuō)，可觀測(cè)宇宙之外的星系之光由于離開(kāi)我們的速率太快，紅移太大，那里的光就永遠(yuǎn)也到達(dá)不了地球，因此永遠(yuǎn)也不會(huì)被我們觀測(cè)到。

但這并不是說(shuō)在較近距離膨脹速度超過(guò)光速，我們就看不到那里的星系了。

這里特別聲明一下，宇宙膨脹是時(shí)空本身的膨脹，就像氣球膨脹是氣球本身在脹大，且是較遠(yuǎn)速度疊加才超過(guò)光速，而具體星系之間離開(kāi)的速度還是很慢的，因此并不是物質(zhì)本身運(yùn)動(dòng)速度超越光速，不受相對(duì)論光速極限約束。

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