宇宙膨胀为什么能超光速（据说用把尺子就能搞懂）
宇宙膨胀为什么能超光速（据说用把尺子就能搞懂）宇宙的膨胀状态在不断加速首先可以肯定的是，宇宙确实在超光速膨胀，而且这个膨胀状态还在不断地加速中。宇宙早期还经历了大暴涨，这个时期的暴涨膨胀则更加夸张。暴涨发生在宇宙大爆炸后的10−36秒，在10−33至10−32秒之间，宇宙从原子核大小瞬间膨胀到太阳系大小。那么你是否会有一种奇怪的疑问在心底里诞生？既然物体不能超光速运动，宇宙也只有一百多亿年的历史，那么为何它能够超光速膨胀，可观测尺度还在不断地增加？这是否违背了物理定律，甚至还和现有的理论矛盾？超光速膨胀中的宇宙在质疑之前，我们先来看看和这个宇宙相关的物理体系和理论，再用一把尺子做一个详细的具象化解释，你就能明白了。你没看错，仅仅是一把尺子就能搞懂这个复杂的概念，但是前提是建立在基础认知的前提下。
宇宙的诞生137亿年前，一场大爆炸之后，宇宙出现了，这是一切事物的起点。
各种尘埃、基本粒子开始融合，逐渐地有了恒星、行星、星云。这一切的一切构建了我们所熟知的宇宙，根据现有的物理理论，宇宙中最快的物质是光，没有任何物体运动能够超越光速。
大爆炸是宇宙出现的起点
同时，现代科学家的研究也证实了宇宙正在不断地膨胀中，速度快到夸张，整个宇宙以超光速的状态正在加速膨胀着，可观测宇宙的尺度已经达到了460亿光年。
那么你是否会有一种奇怪的疑问在心底里诞生？既然物体不能超光速运动，宇宙也只有一百多亿年的历史，那么为何它能够超光速膨胀，可观测尺度还在不断地增加？这是否违背了物理定律，甚至还和现有的理论矛盾？
超光速膨胀中的宇宙
在质疑之前，我们先来看看和这个宇宙相关的物理体系和理论，再用一把尺子做一个详细的具象化解释，你就能明白了。你没看错，仅仅是一把尺子就能搞懂这个复杂的概念，但是前提是建立在基础认知的前提下。
认识宇宙首先可以肯定的是，宇宙确实在超光速膨胀，而且这个膨胀状态还在不断地加速中。宇宙早期还经历了大暴涨，这个时期的暴涨膨胀则更加夸张。暴涨发生在宇宙大爆炸后的10−36秒，在10−33至10−32秒之间，宇宙从原子核大小瞬间膨胀到太阳系大小。
宇宙的膨胀状态在不断加速
即使是光也不能达到这种速度，这样极其微小的一瞬间，光只能走过原子核直径的百亿分之一。大暴涨之后，宇宙的膨胀速率才放缓了一些。
科学家们研究宇宙的关键节点可能要从电磁力学开始，早期科学家在对于电和磁的问题上一直处于一种纠结的状态。为了描述磁场和电的关系，他们不得不寻找一种方程能够解释这些相关现象的问题。
宇宙和电磁力学的关系
经过多名科学家的努力研究，一直到麦克斯韦这里，电磁场力这个问题得到了基本解决。其中麦克斯韦的四个关键方程组成为了电磁场问题解决的关键。
除了在电磁力学上的变化外，根据牛顿所建立的经典物理体系在电磁力学的研究上出现了不可控的矛盾。如果想要得到正确的解答，必须有一套新的理论体系。
麦克斯韦的电磁场理论
为了解决这个问题，洛伦兹建立了一种以观测者在不同惯性参照系之间，对物理量进行测量的转换关系。这就是著名的洛伦兹变换，在解决完这一问题后，爱因斯坦的出现将现代物理学拔高了一个层次，相对论出现了。
洛伦兹变换和麦克斯韦方程组成为了相对论的基本方程，并且在广义相对论之后，人们有了一个能够观测宇宙的初步方式，通过数学模型的建立来测量宇宙。
洛伦兹变换式
那么，如何用这里面的知识去解答物体不能超越光速这个问题呢？爱因斯坦在对相对论做出解释后，在自己随后的研究中利用洛伦兹变换的速度合成公式中给出了答案。
在该公式还引入了因速度变化造成的时空膨胀效应，通过方程的求解后得出理论，物体只会无限接近于光速，甚至都不能达到光速，更不用说超越光速了。
时空膨胀效应
相对论揭示了物质与时空之间的关系，它们的运动状态。这一点在如今的卫星上有着充分的体现，即便是再精准的原子钟，也会有时间上的偏差。物体的运动也不是绝对变化的，这种相对化境让我们认识宇宙膨胀有了一个基础的前提。
就宇宙本身而言，时空本身也是需要运动的，宇宙不可能保持静止，所以不断地向外扩张才是宇宙真实的状态。运动地相对状态取决于观察者的参照系。
爱因斯坦相对论时空观
这就好比一辆跑得特别快的汽车，这辆汽车能够以极快的速度绕着地球环行，这辆汽车就像是太阳散发的光一样，太阳自身转动就能够超过光子逃逸出去的所需的距离，但你不能说太阳的速度超过了光速。同样的，这辆汽车也永远不会看见自己的尾灯。
物体的运动速度还和质量有关，在同等的直线运动状态下，物体的相对速度有多少，这部分质量就会在速度的加持下获得提升，准确地说就会有更大的能量。
光子本身就是一种能量
当运动速度到达了它的质量极限后，速度就会呈现趋于平缓，要想超过光速，在质量上还得是无限趋近于零。然而没有质量的物体无法运动，这也就限制了任何物体以超越光速去运动。
所以目前超光速飞船只能存在想象之中
光子本身就是一种能量，它的运动方式从本质上讲就是光速本身，所以它无法被自己超越也无法被超越。
观察变化在认识了相关的知识后，我们再回到观察这件事本身上，宇宙的膨胀为何是能够超光速的。
超越光速
实际上，宇宙的运动没有我们想象的那么简单，而且膨胀的宇宙不包含超光速运动，更多地是一种空间变化。狭义相对论里，静质量的物体不能达到光速，但在广义相对论里，观察者只能测量其邻近区域的物理量。
宇宙空间
也就是说，我们认识的宇宙在整个宏观尺度下不是一个静态的空间，每一处地方都是可以运动变化的，而我们的观察有限，导致了观察结果的局限。所以，对于观察者而言，邻近的区域不属于同一个参考系内，经过其区域的质量粒子也无法达到光速。
宇宙里有什么不是暂时
空间本身膨胀是不受这种限制的，不以光速为上限，因为它本质和简单的光速运动不同，不受制约。举一个不恰当的例子，你现在处于一条平直的大道上，离你200米处有一面旗帜，这个旗帜就是终点。
从你一开始奔跑，道路就在不断地被拉长，刚起跑的时候，你可能会跑过一段路，但很快你会发现，你身后的道路也在不断地拉长，并且整条路越来越长，然后你整个人看起来就像是静止不动了一般，但实际上你确实在拼了命的跑。
将尺子作为膨胀体
就像尺子上的标尺一般，每一个刻度之间的距离都在拉长变化，原来1米的尺子在不到1秒内，从1米变成了100米，但它的测量范围仍然是在1米内。
不同的是，尺子上的所有刻度之间的距离都从原来的1厘米变成了1米。相邻之间的刻度都向左右两侧远离了1米。刻度之间的退行变化成了尺子膨胀的直观感受。
膨胀后的尺子
尺子刻度的这种状态呈现，在运动的过程中，相对速度成倍的提升，这种相对速度近距离的增加而增加出来的距离，就是物体在均匀膨胀的载体。
回到宇宙观察中来，星系与星系之间的变化就像是尺子上刻度的变化一般，这种超光速的退行是以银河系为参照系的前提下。所以本质上来说，它们之间的距离是在不断地被拉长，而不是以光速去运动造成。
双鼠星系
作为观察者来讲，即便站着不动，也能感受到这种被拉长的感觉，这跟前面列举出能拉长的跑道上奔跑，也是一样的道理。在认识到了这一切之后，你就明白了宇宙为何能够以超光速膨胀，却没有物体能够以超光速进行运动，因为这两者其实在本质上还是有严格区别的。
未来何去何从由于宇宙膨胀实在是太过于诡异，科学家也不得不寻求一种合理的解释，为了弥补这个空缺，暗能量假说的出现，侧面解释了宇宙正在加速膨胀。
暗能量与光会发生中和作用
宇宙膨胀在19世纪就有人提出过了，但宇宙诞生百亿年来，它到底是在加速还是减缓呢？这种判断主要是通过测量宇宙中的天体距离和红移关系了。
通过对恒星的亮度变化和位置变化来推断距离，当然这不是随便就取一颗恒星作为观测依据，而是选择一个有着绝对亮度的天体作为标准。只有大质量恒星演化爆炸后的超新星才有这个能力，其爆发亮度能够超过整个星系，即便相隔很远也能观测到。
恒星会在核心进行核聚变
而红移就像是气球上的斑点，宇宙就是这个气球，随着气球越来越大，斑点之间的距离也会越来越远。而让宇宙膨胀的能量就来自于这种暗能量，它占据了宇宙空间的70%。
通过中微子震荡和微波背景辐射的变化，科学家们能够追踪到宇宙最细微的变化。观测的结果是，宇宙确实是在加速膨胀。由暗能量主导的宇宙变化将会在遥远的未来决定着宇宙的命运。
中微子天体物理学
这种加速膨胀不禁令部分科学家担忧，如果膨胀加速一直持续下去，宇宙中的物质和能量将会变得越来越稀薄。星系之间相互远离的速度会变得非常快，甚至不会再有新的结构形成。
爱因斯坦建立的广义相对论曾被质疑有误，因为当时爱因斯坦假想过，如果要使宇宙保持静止，就必须加入一个常数，这就是如今所说的宇宙常数。
爱因斯坦的宇宙常数
加入宇宙常数后的时空停止了拉伸变化，开始重新收缩回来。根据相对论建立的时空模型，我们可以假定时空周围的物质分布愈来愈多，时空弯曲开始变得明显，空间开始扩张。
在相对论方程的后半部分，如果加入这个宇宙常数后，时空区域平缓，开始收缩。爱因斯坦便是用的这种方法来使宇宙变得“平静”起来。但不久却遭到了来自其他科学家的质疑，因为在对天体的红移观察中，宇宙是膨胀的。
光线的三种红移
关于对宇宙常数的假想设立，爱因斯坦很快便承认了自己的错误。不过，有趣的是，在100多年后的今天，随着理论物理不断完善，观测设备不断升级。科学家推测宇宙常数是存在的，但也许是负数形式，另外宇宙的膨胀速度超出所有人的想象，原本错误地推理重新回到科学殿堂。
暗能量被认为是宇宙常数的化身
今天，科学家们仍然在不断地探测揭秘这种隐秘的暗能量，希望能够从它身上得到关于宇宙更多的奥秘。对于暗能量的研究，不仅是日本、美国等其他地区，包括我国都将会投入大量的精力去准备。
我国空间站巡天、天籁计划都是为此准备的，包括国际上的一些合作项目，都是准备揭示宇宙加速膨胀背后真实原因。同时，随着中微子震荡的发现，暗能量的神秘面纱也在一点一点地被揭开。
强大的宇宙暗能量
未来的几年时间里将会是暗能量研究揭秘的黄金时期，在全世界科学家的共同努力下，宇宙膨胀一定会得到一个更加清晰准确的认知。
