《福布斯》科技文章：时空结构的扩展如何比光速还要快？

在昨天的《福布斯》（Forbes）网站上发表有一篇理论天体物理学家、科技作家、伊森·西格尔（Ethan Siegel）题为：“时空结构的扩展如何比光速还要快？”的长篇科技文章，具有参考意义，择要介绍如下（有点长，耐心看）。

文章指出，空间结构的扩大意味着星系越远，它似乎离开我们越快。但是，这并不意味着星系实际上以比光还快的速度穿过宇宙，空间的结构本身在不断变化。

在物理学中学到的基本规则之一，也是爱因斯坦在100多年前所提出的，宇宙中的一切都必须遵守一个终极速度极限：光速。如果有质量，则只能接近（但永远无法达到）该速度。如果通过的是介质不是真空，则只能慢于这个极限速度。如果这是真的，那么我们怎么能看到起源于大约138亿年前的一次大爆炸的宇宙中的物体呢？怎么能看到至今甚至460亿光年远的宇宙呢？这反映的是物理学中的一个基本问题：为什么时空结构的扩展速度快于光速？

如下图所示爱因斯坦所提出的相对论运动，快速移动的物体似乎在空间中长度收缩并随时间膨胀。对于相对于静止的观察者来讲，物体移动得越快，长度就会越收缩，而膨胀时间就会越长。

如果您在火车上以每小时100公里的速度前进，并且以每小时100公里的速度向前投掷棒球，那么，从固定地面上有人的角度来看，该球将以200公里的速度运行。但是光不是那样，从可以想象到的每个角度来看，它在真空中始终以相同的速度运行。

1880年代，科学家阿尔伯特·米歇尔森（Albert Michelson）及其助手爱德华·莫利（Edward Morley）对此进行了极为精确的证明。在他们的实验中，他们获取了一束相干光（具有相同的波长），并将其通过分束器：将光束分成两个垂直分量的设备。然后，光线沿着相同长度的两条路径向下传播，直到射到镜面，向后反射并重新组合以产生干涉图案。

现在，这是关键点：如果一个路径比另一个路径短，或者如果光在一个方向上的移动速度比另一个方向快（或慢），则干涉图案将发生偏移。在LIGO和处女座引力波探测器中，这种情况发生的精度很高，在这些探测器中，通过的引力波会改变两个不同方向的路径长度。但是，即使地球相对于太阳以约每秒30公里的速度运动，在莫雷实验中看到的干涉图也从未改变。

如图所示迈克尔逊干涉仪（上图）显示出的光模式（下图，实线）的变化可忽略不计与伽利略相对论为真时的预期（下图，虚线）相比。无论干涉仪朝向哪个方向（包括与地球在空间中的运动垂直，垂直或相对），光速都是相同的。

这给了我们非常重要的一个认知：光速与空间中的任何相对运动无关。无论身在何处、以多快的速度或以哪个方向行进宇宙，都将始终观察到所有光波以相同的通用速度在太空中传播。如果和光源彼此远离，则光源的波长会发生红移；如果彼此靠近，则波长会蓝移。但是光速本身永远不会随着空间的真空而改变。

当爱因斯坦提出这个想法时，是具有革命性的。对爱因斯坦的广义相对论进行了无数次科学测试表明，物质和能量在空间中的存在告诉时空如何弯曲，而弯曲的时空告诉物质和能量如何移动。

在爱因斯坦之前，万有引力是牛顿现象。牛顿认为，空间和时间是绝对的，而不是相对的实体。任何两个质量之间的引力必须无限快地传播，而不受光速的限制。

爱因斯坦带给物理学的革命是推翻了这张引力图。当然，对于几乎所有条件，都可以使用牛顿引力作为非常好的近似值，但是在物质或能量通过接近大质量的情况下，牛顿不会给出正确的答案。

水星的进动超出了牛顿的预料。在日食期间，接近太阳的光线以比牛顿所能解释的更大的角度弯曲。

如图所示1919年爱丁顿（Eddington）探险的结果最终表明，广义相对论描述了星光在大物体周围的弯曲，从而推翻了牛顿的图画。这是爱因斯坦广义相对论的第一个观测证实，并且似乎与“空间弯曲结构”的可视化保持一致。

证据清楚地表明，爱因斯坦的广义相对论取代了牛顿重力，在广义相对论中，质量和能量弯曲了空间，而弯曲的空间决定了质量和能量的运动。引力和时空结构本身的这种新概念本身也带来了另一个启示：宇宙的结构，如果到处都充满了几乎相等的物质和能量，那么它就不可能是静态地保持不变。

取而代之的是，早在1920年代的观测就开始明确显示，物体与我们的距离与观察到的光发生红移的数量之间存在系统的关系。星系相对于彼此在空间中移动，速度只有每秒几千公里。但是，当我们查看遥远星系的实际红移时，它们对应的衰退速度要远远大于这些数值。

如图所示距离/红移关系，包括所有最遥远的物体，从它们的超新星类型看，数据强烈支持加速的宇宙。注意y轴如何包含超过光速的速度，但这并不能说明扩展的宇宙实际发生的全部情况。

科学家很快意识到，我们看到这些宇宙红移随距离而缩放的原因是，宇宙本身的结构正在扩展。就像葡萄干面包团中的葡萄干一样，宇宙中的每个星系都看到其他星系移离它们，而更远的葡萄干（星系）似乎以更快的速度移开。

这不是因为葡萄干（星系）相对于它们所嵌入的面团而运动，也不是因为各个星系都在空间结构中运动。由于面团本身（就像空间本身的结构一样）正在膨胀，而葡萄干（星系）也正好顺其自然。

如图所示扩展的宇宙的“葡萄干面包”模型，其中相对距离随着空间的增加而增加扩展。任何两个葡萄干（星系）彼此之间的距离越远，接收到的光所观察到的红移就越大。观测到的事实证明了正在扩展的宇宙所预测的红移距离关系，并且与自1920年代以来一直以来所知道的一致。

同时，由于这些物体是星系，它们充满了发光的恒星。它们从第一次打开时就连续发光，但是我们只有从穿过宇宙后第一次进入我们的眼睛的那一刻起，才能观察到它们。值得注意的是，这不是牛顿宇宙，而是一个不断扩大的爱因斯坦宇宙。

这意味着，在穿越宇宙超过130亿年之后，那里的星系才刚刚第一次到达地球。最初的恒星和星系是在大爆炸之后几亿年形成的。由于宇宙的不断膨胀，光已严重地红移，以至于当它发出时是紫外光，但到我们可以观察到的时候，它已经很远了。

如动画所示在不断扩展的宇宙中，光如何红移以及未绑定对象之间的距离如何随时间变化。值得注意的是，这些物体的起始距离比光在它们之间传播所花费的时间更近，由于空间的扩大，光会发生红移，并且两个星系的距离比交换的光子所走的光移动路径远得多。

如果从我们的角度来看，这对我们现在才观测到的这个遥远星系的速度意味着什么？我们可以得出结论，这个星系正在以远超过光速的速度离开。但是实际上，不仅星系没有以相对论不可能的速度在宇宙中移动，而且几乎没有移动！这些星系并没有超过光速，而是仅以光速的2％或更低的速度在太空中移动。

但是空间本身正在扩大，这是我们所看到的绝大多数红移的原因。而且空间并不能快速扩展；它以每单位距离的速度，即以一种非常不同的速率扩展。当您看到67 公里/秒/Mpc或73 公里/秒/Mpc（宇宙学家测量的两个最常见的值）之类的数字时，它们就是单位距离的速度（公里/秒）（Mpc，约330万光年）。

“没有什么比光移动得快”的限制仅适用于物体在空间中的运动。空间本身的扩展速度，这种单位距离的速度，上限没有物理限制。

如上图所示我们可见的宇宙的大小（黄色），以及我们可以达到的量（紫红色）。可见宇宙的极限为461亿光年，因为那是一个物体发出的光的极限。

考虑所有这些似乎很奇怪。因为我们有暗能量，所以膨胀率永远不会降为零；它将保持为正的有限值。这意味着，即使自大爆炸以来仅过去了138亿年，我们仍可以观察到距离甚至有461亿光年远的物体的光。

实际上没有物体以比光速更快的速度穿过宇宙。宇宙在扩张，但是扩张没有速度，而是具有单位距离的速度，等于膨胀率，或时间的倒数。关于宇宙的最令人惊讶的事实之一是，如果采用膨胀率的倒数进行转换，就可以计算得出“时间”。

这个“时间”是多少？答案是：约138亿年，即宇宙的年龄。这个事实没有什么根本原因，这只是一个迷人的宇宙巧合。

参考："Ask Ethan: How Does The Fabric Of Spacetime Expand Faster Than The Speed Of Light?" Forbes. Jun 12, 2020