速度不可超过光速，宇宙诞生138亿年，可观测宇宙超930亿光年，宇宙边缘的物质速度是不是超过光速了

按照爱因斯坦在相对论中的描述，宇宙中最快的速度是光速。除了光速之外，再也没有物体的速度可以比它还要快，包括人类在内。日后人类再发展科技，都没有办法达到光速，最多只能是亚光速。

不过，这里出现了一个矛盾点。我们知道，宇宙起源来自于138亿年前的一个奇点爆炸。在大爆炸发生后，宇宙不断地膨胀，最终变成了今天的模样。宇宙目前的半径范围应该是138亿光年才对，既然光速是宇宙中最快的速度，科学家们又是如何观测到465亿光年半径宇宙的呢？难道爱因斯坦的相对论是错误的？

相对论和宇宙大爆炸真的矛盾吗？

从数据上，我们可以看出宇宙大爆炸发生后，宇宙的膨胀速度其实是超越光速的，而且要比光速快很多，足足多出了3倍多。爱因斯坦真的错了？还是科学家们对于宇宙的观测、宇宙的膨胀

理论分析有错误？

其实，这些概念都没错。它们虽然看起来好像是相悖的，但实际上却并不违背，因为这里就要引入一个全新的概念：宇宙的“膨胀效应”。通过微波背景辐射和宇宙中的红移效应，科学家们发现了宇宙爆炸和膨胀的现象。当奇点爆炸的一瞬间，宇宙中的温度其实是非常高的，随着宇宙变得越来越大，大爆炸的温度也就开始逐渐下降。

当然，宇宙大爆炸发生之后，随着宇宙越来越大，光便也在宇宙中奔跑。看起来，光应该只跑了138亿年才对，可其实如果运用宇宙膨胀效应的原理，你会发现这个说法是错误的。因为早期的宇宙是没有办法进行光速传播的，高温导致早期的宇宙都是等离子的状态，可能大家不清楚这是什么意思，我们可以参考太阳。

我们知道，太阳是一个巨大的等离子体，而阳光从太阳传播到地球上。相信大家都听过“8分钟原理”，简单来说，从太阳发出的光芒到地球接受到阳光，已经是8分钟之后的事情了。所以，早期的宇宙在大爆炸发生后，在很长一段时间里，宇宙除了不断的膨胀，并没有光子参与运动。自然而然，也就没有光在宇宙中传播。直到宇宙的温度降低后，被束缚住的光子终于得以释放，它们才开始在宇宙中传播。

那么，从宇宙大爆炸发生后到光子开始在宇宙中传播，中间的这段时间是多久呢？科学家表示，大约是38万年的时间。在这38万年的时间里，宇宙膨胀的速度是惊人的，这才会导致我们观测到的宇宙范围实际上与宇宙理论上的范围是有出入的。所以，看起来好像是和爱因斯坦相对论有矛盾，其实并不相悖。

现在人类已经根据理论得到，我们有着以地球为中心，930亿光年的可观测直径。但是宇宙大爆炸理论又提出，宇宙诞生于138亿年前的一次大爆炸，如果说光速是宇宙速度的上限，为什么138亿年后，宇宙的大小不是138亿光年的半径范围？这中间是否存在矛盾？

早在1929年，著名的物理学家哈勃就观测到了一种神奇的现象：

这种现象表示：离我们越远的星系，他观测到的颜色就越偏向于红色，于是科学家就锁定了一些星系，发现这些星系呈现出的红色甚至越来越明显的，由此推断：这些星系正在远离地球。并把它命名为：红移现象。

所谓红移现象最初是针对机械波而言的，即一个相对于观察者运动着的物体如果离得越远，那么它发出的声音就越浑厚（波长比较长），相反离得越近那么发出的声音越尖细（波长比较短）。

之后哈勃通过进一步的观测，发现地球之外似乎所有的遥远的星系还有星系团都在远离地球（观测点），并且距离越远，远离的速度也越快。

最后埃尔德·哈勃得出一个重要的结论：

宇宙正在变大。

从这一结论出发，天文学家得出来一个观点：很久之前，宇宙可能处于一个密度极高，温度也极高的状态。

到了1931年，天文学家乔治·勒梅特首次提出了有关宇宙起源的大爆炸理论，他本人把这个理论命名为“原生原子的假说”。

这个理论大致意思是：

宇宙现在正在向外膨胀，假如从时间上进行反演那就说明着宇宙在向内坍塌，这个过程会一直进行到不能再继续为止。最终宇宙中所有的质量都会集中在一个点，这个点就叫做“原生原子”。

而到1948年，伽莫夫对具体的热大爆炸理论又有了更精确的描述：

他认为在大约150亿年前的时候，宇宙只是一个极其微小的点，然后由于某种原因这个点变成了一个温度极高的“火球”，后来这个“火球”发生了大爆炸，爆炸使得组成火球的物质散落到各处，高温物质冷却之后，密度开始降低，就这样质子、中子等基本物质才诞生。最后经过了不停的膨胀、演变，宇宙就这样形成了。

当然，如果仅仅靠宇宙膨胀的观点就推测出宇宙大爆炸的理论，很明显是没有说服力的，这就需要更多的证据来支持这个理论。

微波背景辐射起源于热宇宙的早期，其是温度近于2.7K的黑体辐射，也被称为3K背景辐射。

1964年，阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊在使用一台微波接收器时，无意中探测到了宇宙微波背景辐射。

背景辐射的黑体谱现象表明了微波背景辐射是在极大时空范围内发生的的事件，而背景辐射的各向同性又说明在不同的方向上，两个相距非常遥远的天区之间，存在过相互之间的联系，通俗来说就是：

大概大爆炸之后38万年，宇宙中出现了第一束光，随着宇宙的膨胀，这束光的能量逐渐降低，直到最后降到了微波频段。

人们观测到的微波背景辐射图描述的就是宇宙早期的状态。这些辐射对应的温度刚好是2.7K，这就是宇宙微波背景辐射的由来。

尽管对于宇宙的年龄一直都有争议，因为提出一个理论，总要需要经过无数次的实验修改才能被广泛的接受。

宇宙至今存在了138亿年，其实这个数据的诞生还是要功归于哈勃的努力。

哈勃最开始提出的“哈勃红移”其实就是用来计算宇宙的年龄，他发现当恒星或星系远离地球时，从地球上接收到的恒星光谱会向红色的一端移动，反之则会向蓝色的一端移动，还得出了红移会随着距离的增大而增大，最后总结出了著名的哈勃定律。

计算出哈勃常数，也就得到了宇宙的年龄。

科学家经过长期对哈勃常数的测算加上微波背景辐射的共同测算，得出宇宙的年龄为大约为138.2亿岁。

值得注意的是，可观测宇宙不是已经看到的宇宙，我们现在其实还没有观测到来自456亿光年外的光。这个930亿光年的直径只是根据理论，我们可以看到的宇宙的范围。

因为930亿光年外的光，由于宇宙的加速膨胀，导致我们再也无法接收到这些光线，所以就成了不可观测宇宙。真实的宇宙大小，要远远大于930亿光年的范围。

而宇宙年龄为138亿岁，根据哈勃常数计算发现宇宙膨胀速度会导致星系之间的退行速度超光速。通俗来讲就是：

因为宇宙超光速膨胀，可观测宇宙的直径达到了930亿年的范围，而真实的宇宙大小，要远远大于930亿光年的范围。

相对论指出指任何携带信息能量的东西都无法超越光速，而宇宙膨胀是空间的膨胀，这个过程中不携带任何能量和信息。

所以说宇宙的超光速膨胀并不违反爱因斯坦的相对论，这是因为宇宙膨胀是时空本身的膨胀，并不是物质在膨胀。爱因斯坦的相对论也是是有条件限制的，并有没指出宇宙中不存在超越光速的现象。

【宇宙年龄138亿年】

目前对于宇宙演化的主流科学观点就是奇点大爆炸，人类对于宇宙的认识是一个渐进的过程，在远古时期大家都认为我们生活的世界就是一个无限的平板，而非是在一个球体的表面，而随着地心论、日心论的更替，我们的宇宙观逐渐变化了，从太阳系到银河系，最后再到本星系群、室女座星系团等等。

但一直以来科学家都认为宇宙是稳态不变并且是无限的，即使爱因斯坦也没有跳出这样的思想怪圈。在1916年爱因斯坦把引力加入到自己的理论框架中，从而提出广义相对论，爱因斯坦应用用广义相对论场方程，对宇宙演化的问题进行研究验证。结果出来让爱因斯坦眉头紧锁，宇宙竟然是动态变化的，这个与主流的科学观点是不相符的，最后爱因斯坦也选择了权威，接受宇宙是稳态的，同时在自己的场方程中加入了宇宙学常数。

后来哈勃借助天文台发现了很多河外星系，它们都在远离地球，爱因斯坦听说过后就挺疑惑的，因此亲自去哈勃工作的天文台观测星系红移现象，至此宇宙大爆炸理论的首个证据被找到了，因为宇宙的演化是动态变化的，除此之外宇宙背景微波辐射的发现，让宇宙大爆炸假说更加正统。通古计算哈勃常数，最后可以简单得到宇宙的年龄，大约在138.2亿年前，一个无限致密、质量无限大、体积无限小的奇点“爆炸”了，宇宙开始演化一直到今天仍旧在不断的膨胀。

【可观测宇宙直径930亿光年】

目前的可观测宇宙直径930亿光年，也就是半径为465亿光年，这是很多人非常疑问的一点，因为宇宙年龄只有138亿岁，换言之也就是给了宇宙138亿年的膨胀时间，按照最快光速膨胀，宇宙的干净也应该只有138亿光年，目前来看宇宙膨胀超光速，那这是否违反了爱因斯坦的相对论要求，咱们在后文继续说明。

实际上930亿光年，只是人类目前可以观测到的宇宙范围，也就是以地球为核心的一个半径465光年的球体范围。但这并不意味着宇宙的真实范围，只是距离我们465亿光年远外的星系或者物质的光刚刚到达地球被我们看到，而距离更远的光尚还没有来到地球。更简单的来说，可观测宇宙范围是和人类能产生因果关系的范围。

如果换一个中心可观测宇宙直径依然是930亿光年，那也就意味着现在的真实宇宙大小远大于930亿光年，科学家预估不可观测宇宙直径至少在23万亿光年，这样来看宇宙的膨胀速度已经远远超过光速了。只是宇宙边缘的光在宇宙超光速的膨胀下，可能要很久很久之后才能到达地球。

【光速最快吗？】

千万提到了宇宙膨胀是超光速的，这是目前被认可的超光速案例之一，宇宙中光速并非是最快的，爱因斯坦对于光速的准确描述如下：

如果物体有静止质量，那么它的速度永远无法达到光速，例如光子的静止质量为零，它的速度就为光速，中微子等质量非常的小，但依然是有质量的，所以即使速度很快但还是无法达到光速；

信息的传递速度无法超过光速，这一点也很好理解，目前信息最快的传递方式就是光速了，例如无线电信号等。

那么在不违反上述两个限制条件的情况下就可以实现超光速，首先宇宙膨胀本质上是膨胀的空间因此可以超光速；而量子力学中研究的量子纠缠，本身也是远超过光速的存在，但是量子纠缠无法进行信息传递。有的人说潘院士的量子通信不是在用量子纠缠传递信息吗？实际上并非如此，量子通信技术是加密技术，信息传递靠的依然是电磁波；最后一个超光速的案例就是量子隧穿效应了，也是被允许超光速的存在。

【

宇宙大爆炸及发展过程】

目前关于宇宙演化的主流观点就是宇宙大爆炸，目前已知所有的物质能量，时间和空间都是起源于138亿年前的那个奇点。之后宇宙经过减速膨胀到最后加速膨胀，形成了今天这样规模的宇宙。

受到“大爆炸”这个名词的影响，很多人理解中宇宙有一个中心，从这个中心向外辐射，实际上从宇宙膨胀的概念来理解，宇宙中处处都是核心。哈勃定律认为距离我们越遥远的星系，它的退行速度也就是越快的，宇宙时时刻刻每一点都在膨胀。最开始科学家认为按照牛顿的万有引力定律，宇宙应该在自身的引力拉扯作用下减速膨胀，这很好理解。

按照大爆炸理论宇宙就像是在做初速度很大但受力和运动方向相反的运动，但是根据科学家的实际观测表明宇宙正在做加速膨胀，这种实际情况是反常识的。那么也就意味着宇宙在受到额外的力，来推动着它加速膨胀，同时抵消自身的引力拉扯作用。

最后科学家给这个看不见的手取名为暗能量，它的作用机制比较奇特，表现的是距离越远斥力的效果越明显，宇宙最初的演化是减速膨胀的，但是随着时间的推移，宇宙距离的变大，超过一个临界点之后最终开始加速膨胀，按照这样下去宇宙最终会进入大热寂的状态，那可能是宇宙的终极命运了。

很多人都听说过我们的可观测宇宙有930亿光年大，但它诞生至今却只有138亿年， 你可能会感到困惑，这是怎么一回事呢？不是说光速是恒定的吗？它只有那么快，我们是怎么看得到930亿光年外的宇宙的？

首先说明一下，930亿光年指的是可观测宇宙的直径，半径是465亿光年。 可观测宇宙是指以我们地球为中心，向各个方向所能看到的最远距离，这就是我们的可观测宇宙的半径范围，这个半径大约是465亿光年，超过这个半径以外的宇宙我们是观测不到的。而这个半径在三维空间里就构成了一个以地球为中心的球体，这个球体就是我们的可观测宇宙的全部，它的直径就是930亿光年。

实际上我们的宇宙的直径是肯定不止930亿光年的，自然它的半径也肯定不止465亿光年。 但是即使是这465亿光年，也并不是实际观测到的距离值，也就是说，它并不是我们现在能观测到的距离，而是一个理论计算值，而这个理论计算值是根据宇宙的年龄和用于计算宇宙膨胀速率的哈勃常数按照理论模型确定的。

至于这个理论计算值的具体含义我们稍后再说，我们从最简单也是最常见的距离讲起。

我们知道，按照现有的物理理论，光速是一个恒定的值，因此它可以用于计算距离，现在我们在计算宇宙天体的距离时常用的单位光年就是指光一年所经过的距离。 而按照目前的宇宙大爆炸理论和测量得到的哈勃常数计算，宇宙的年龄约为138.2亿年。也就是目前我们所能接收到的最远的信息，传播到地球的时间也就是138.2亿年，它们经过的距离就是138.2亿光年了。

你会发现这个时候出现了两个观察极限的距离，一个是465亿光年，一个是138.2亿光年。

138.2亿光年这个距离就是我们第一个要介绍的宇宙学距离——光行距离。光行距离顾名思义就是光行进的距离，由于光速是一个恒定值，因此，光行距离只要以光速乘上一个具体的时间就能得到具体的距离。（比如以光速乘上1年，得到的就是一光年的距离，他大约相当于365.25x24x3600x299792458=9460730472580800m=9460730472580.8km）

因此，也就是说， 由于我们宇宙的年龄所限，我们能看到的最远距离就是光行距离138.2亿光年，这就是我们的可观测极限。然而我们所处的宇宙并非是静态的，它从诞生开始就一直在不停地膨胀，因此当我们看到这些光行距离138.2亿年的天体时（假装这个距离上有天体吧，比较好理解），它们早已经不在原来的位置上了，也就是它们现在并不在138.2亿光年处。

在上世纪20年代末，美国天文学家爱德文·哈勃利用对Ia型超新星的光谱分析，发现宇宙中所有方向上的远方星系都在远离我们，而且远离的速度与距离存在比例关系，距离地球越远，远离的速度越快。

这种现象让已经从地球中心说和太阳中心说里解脱出来的科学家相当困惑，因为这意味着地球处在一个特殊的位置，类似于一个爆炸的中心，所有的远方星系都在远离我们这个中心。

不过很快，科学家就给出了一个最为简洁的解释： 宇宙正在膨胀。

我们可以试想象这样一种情况：在一个膨胀的气球表面，随着气球膨胀，气球上的a、b、c三个点会互相远离，我们假设b处在a和c之间，那么同一时间内ac之间膨胀的距离将等于ab之间膨胀的距离加上bc之间膨胀的距离，这样，在a看来，c远离的速度就会比b更快。这样，地球就无需处在一个特殊的位置。

但是问题来了，宇宙在膨胀，宇宙就不再是静态的了，它是一个动态宇宙。如果空间在膨胀，光速就没法代表真实的距离了……

试想一下，当一束光从a射向c，但这传播的过程中，a与c之间的空间一直在膨胀，当a到达c的时候，ac的距离早已不是原来的距离了。

这就使距离变得比较复杂了，可以说根本没法确定距离，因为宇宙一直在膨胀，你想知道某个距离得先确定那是什么时候的距离，因为ac之间的实际距离随着空间的膨胀，每时每刻都不一样，它是随时间变化的……

既然观察到的空间膨胀是各向同性而均匀的，那能不能把尺子固定下来呢？也就是说随着空间膨胀，我们用来测量空间的尺子也一起膨胀，这样距离就不会随时间发生变化了，我们就可以定义任意时刻天体间的距离，甚至宇宙的大小了。

答案是肯定的，而这种尺子随空间膨胀的距离就叫共动距离。

那么问题来了，这把尺子的数值是什么时候确定下来的呢？当然是现在了。因为我们对空间距离的定义是基于现在的，这意味着所有尺子的测量和定义都是基于现在的。

当尺子被固定下来后，宇宙的大小和星系距离就不会再随时间变化了，那么它现在多大呢？答案就是前面所说的：465亿光年。这个就是我们可观测宇宙的实际半径，实际的直径也就是930亿光年。

这个值是怎么得到的呢？前面已经简单说过，就是 在确定了宇宙年龄后，光速138.2亿年时间所经过的距离，也就是138.2亿光年的光行距离，根据理论模型、哈勃常数得到的宇宙膨胀率计算在这138.2亿年里，这段光行距离距离现在膨胀到多大，计算结果就是465亿光年。

这个距离就是我现在我们所能观察到的可观测宇宙边界的真实距离，这个距离就称为固有距离。它代表实际的距离，而由于前面提到的定义的缘故，现在的可观测宇宙的固有距离就等于共动距离。

我们来总结一下上面介绍的三种距离。我们最熟悉的大概就是光行距离了，我们常常听到的某颗星星距离我们多少光年，比如我们太阳系距离银河系约2.6万光年这样的距离用的就是光行距离，它是最直观最容易理解的距离。

实际上在很多的书籍中结束遥远星系所用的也是光行距离，比如前些年报道科学家发现一个最遥远的星系距离我们132亿光年，你很容易就能知道这个星系在宇宙大爆炸后6亿年后就已经诞生了。

但光行距离实际上既不代表这些光发出时与我们的距离，也不代表这些光到达时跟我们的距离 ……这就很尴尬了……

实际上那些光发出时，这些星系距离银河系所在的空间位置远小于132亿光年，而光到达时，这些星系距离银河系又远大于132亿光年。这就是光行距离……一种本来很精确结果被宇宙膨胀坑惨了的距离……

至于共动距离，主要是方便研究星系相对位置和物质密度，由于它一经确定，就不再受宇宙膨胀的影响，因此可以确定任意星系间的距离，也可以确定一定区域内星系的密度。但它本身只是一个定义值，不具有真实性，只不过它本定义为现在的真实值。

固有距离顾名思义就是本来的距离。它是一个静态宇宙下定义出来的真实值，是此刻让宇宙定格不再膨胀时所能测量到的距离值。 这就是我们日常使用的距离，诸如上海到北京的距离就是固有距离。 但由于我们的宇宙是动态膨胀的，因此固有距离的值是会随时间变化的。

我们可观测宇宙半径465亿光年指的就是这个固有距离。也就是光行距离138.2亿光年外的星系的现在距离我们的真实距离是465亿光年，但此时的这个星系我们是看不见的，即使现在宇宙不再膨胀，它现在在465亿光年外所发的光也要465亿年后我们才能看到。

因此，虽然说可观测宇宙是465亿光年，但你千万不要以为我们现在能看到465亿光年外的光。