宇宙膨脹速度超過光速，是如何計算出來的？

愛因斯坦狹義相對論給光速畫了一個紅線，就是宇宙中光速是最快的，是天花板，所有物質(zhì)運動都不得突破這個天花板。而在宇宙標準模型中，宇宙膨脹是超過光速的，這樣，許多網(wǎng)友就很疑惑，既然物質(zhì)運動不得超過光速，為啥宇宙膨脹就可以呢？

網(wǎng)上諸如此類的問題很多，見下面截圖：

這類問題都差不多，就是弄不清宇宙膨脹超光速與物體運動光速之間的區(qū)別，而后一個問題本身似乎已經(jīng)給出了答案。簡單地說，光速藩籬要求的是，有靜質(zhì)量的物體不能超過光速，而宇宙膨脹是時空的膨脹，時空本身沒有質(zhì)量，當然就不受光速限制了。

此類問題我過去已經(jīng)回答過多次，看到網(wǎng)絡(luò)上還有許多朋友鬧不明白，就再簡要而系統(tǒng)地說一遍，如果朋友們能夠耐心看完，相信就會完全明白了。如果還有疑問，請在下方評論區(qū)留言，我會盡量解答。

但有一點需要說明，我的一切回答都是基于現(xiàn)代科學界公認的科學常識，如宇宙學標準模型。所謂宇宙學標準模型，就是以愛因斯坦的廣義相對論為基礎(chǔ)，描述均勻各相同性宇宙運動規(guī)律的模型。

如果不屑于承認科學常識（也就是科學界共識）的人，硬要杠精一下，就恕不奉陪了。

何謂宇宙膨脹？

所謂宇宙膨脹是指整個宇宙的大尺度不斷脹大，是由美國著名天文學家埃德溫·哈勃率先發(fā)現(xiàn)并提供證據(jù)的。人們?yōu)榱思o念他，第一艘頂級空間望遠鏡就以他的名字命名，哈勃空間望遠鏡升空后，讓人類大大開闊了視野，對宇宙有了顛覆性的認識。

哈勃是在1929年根據(jù)長期觀測，得出宇宙膨脹結(jié)論的。這個結(jié)論認為，整個宇宙都在不斷膨脹，而且是均勻的，所有的星系都在均勻地彼此分離，相互隔得越來越遠。從地球觀測，各個方向都是一樣的，這就叫各向同性；距離我們越遠的星系，退行速度就越快，退行速度與距離成正比關(guān)系。

由此，他得出了哈勃定律，簡單表述為：V=HD。這里的V表示星系退行速度；H代表哈勃常數(shù)，定義為在距離我們10Mpc位置，星系退行速度，單位s/km（秒/千米）；D表示星系與我們的實際距離。Mpc是百萬秒差距單位，1pc（秒差距）約為3.26光年。

這個觀測結(jié)果完全符合愛因斯坦廣義相對論理論描述，解決了愛因斯坦場論與絕對時空觀的矛盾，從而為大爆炸宇宙模型增加了關(guān)鍵性重要證據(jù)，說明宇宙從奇點爆炸開始，膨脹一直沒有停止過。

如果形象的比喻，現(xiàn)在的宇宙就像一個正在膨大的氣球，這個氣球就是奇點膨脹而來，所有星系物質(zhì)都是氣球膜上的星星點點花紋，隨著氣球的不斷脹大，這些星星點點的花紋都在相互遠離，在氣球表面任何一點向四周看都是一樣的，因此宇宙沒有中心。

這個氣球的膜就是宇宙空間（也可以說是時空），沒有質(zhì)量，星星點點的花紋就鑲嵌在宇宙空間的星系，是有質(zhì)量的。這些有質(zhì)量的星系本身并沒有動，就像坐在火車上的人，火車在飛奔，車上的人并沒有飛奔。

也可以想象成烤面包，面包本身是時空，面包在膨脹，鑲嵌在里面的葡萄干也隨之距離相互拉開，但葡萄干沒有動，只是隨著面包的膨脹相互隔得更開而已。

隨著宇宙空間的膨脹，原來擠在一起的星系就相互隔得越來越開，看起來就是相互遠離。而宇宙膨脹只是時空的膨脹，不是有質(zhì)量的物體運動，因此不受光速藩籬約束。

宇宙膨脹速度是如何計算出來的

宇宙膨脹速度計算就是根據(jù)哈勃定律進行的。前面說了，哈勃定律里面有幾個代數(shù)，V代表總速度，H代表哈勃常數(shù)，D代表實際距離。根據(jù)這個公式，首先要知道哈勃常數(shù)，才有可能代入數(shù)據(jù)進行計算。

為了得到一個準確的哈勃常數(shù)，幾十年來，許多天文學家想方設(shè)法進行了大量的測量工作，得到幾個具有代表意義的數(shù)據(jù)：

2006年，馬歇爾太空飛行中心利用錢卓X射線望遠鏡得到的結(jié)果是77km/s，誤差約15%；2009年，NASA（美國宇航局簡稱）根據(jù)la超新星測量得到的結(jié)果為74.2±3.6km/s；2013年，歐空局根據(jù)普朗克衛(wèi)星測量得出的結(jié)果為67.8±0.77km/s；2019年，德國科學家利用引力透鏡效應(yīng)得出的結(jié)果為82.4km/s。

每種方法測得的數(shù)據(jù)并不完全一致，甚至有較大相差。不同的數(shù)據(jù)計算出的宇宙年齡和膨脹速率是不一樣的，今天我們將這些數(shù)據(jù)折中一下，得到一個平均值為：（67.8+77+74.2+82.4）/4=75.35km。

也就是說，在距離我們326萬光年的位置，星系離開我們的速度約為75.35km/s，根據(jù)這個折中的哈勃常數(shù)來測算宇宙膨脹速度，按照各向同性，越遠越快，與距離成正比例關(guān)系的原則，就可以計算出任意距離星系相對我們的退行速度了。

如326萬光年的地方為75.35km/s；1億光年的地方為2311.35km/s。

我們可觀測宇宙半徑為465億光年，也就是說距離我們最遠的那個星系，離開我們或者說退行速度就達到1074777.75km/s了。這個速度約光速的3.58倍，這就是所謂宇宙膨脹速度大于光速的由來。

既然宇宙膨脹速度大于光速幾倍，為啥我們感受不到呢？

這是因為所謂宇宙膨脹大于光速，是整個宇宙膨脹的疊加速度，形象地說是整個宇宙氣球的總膨脹速度，是我們與可觀測宇宙最遠的星系相互離開的速度，不是近距相互之間星系分開的速度，這是宇宙大尺度整體的一個規(guī)律，不能用在附近天體。

我曾經(jīng)用插竹竿比喻過這種效應(yīng)，如果插1000根竹竿，每根相差1公里，我們將每根竹竿距離都同時拉開1米，距離我們最近的這根竹竿在1公里距離離開我們1米，視覺上根本很難感受到；但在距離我們1000公里的那根竹竿，就與我們瞬間拉開了1000米了，但這種速度增加效應(yīng)就非常明顯了。

到了3億根竹竿的位置，所有的竹竿1秒鐘時間移動1米（均勻膨脹），在第3億根竹竿的位置，與觀測者（比如地球）的距離不就每秒鐘拉開了3億米嗎，就達到光速了。

這說明宇宙膨脹只是大尺度膨脹，在距離很近的地方，膨脹很慢，也不明顯。

近距離的天體之間主要還是受到引力約束，如太陽系甚至銀河系，都是依靠引力凝聚在一起，受到宇宙膨脹的影響很難感測出來。即便距離我們254萬光年的仙女座星系，由于與銀河系之間的巨大引力作用，還在不斷靠近，預(yù)測在30~40億年后，這兩個星系就會相撞融合在一起。

但總體科學觀測證明，遙遠的星系都在離我們遠去，最明顯的證據(jù)就是紅移現(xiàn)象。這是光波的多普勒效應(yīng)。凡以波的方式傳播的事物都有多普勒效應(yīng)，如聲波，高速靠近我們的汽車或火車鳴笛，就比不動時高亢；而遠離時聲音就會比不動時低沉。

光波的多普勒效應(yīng)就是高速靠近的物體光譜會向藍端移動，簡稱藍移；高速遠離的物體光譜會向紅端移動，簡稱紅移?？茖W家們觀測遠方星系，都是紅移，紅移量與距離成正比，所以，通過紅移量就可以判定星系離開我們的速度。

而根據(jù)哈勃定律，得到了星系離開我們的速度，就能夠推算出這個星系與我們的距離。科學家們觀測到的仙女座星系光譜發(fā)生藍移，因此證明其正在靠攏我們。

至此，我們應(yīng)該明白了，宇宙膨脹超光速只是整體空間疊加起來的超光速，而每個局部膨脹速度是很慢的，有的還受引力影響相互靠近。因此，宇宙膨脹超光速與愛因斯坦光速極限，不得超越的理論完全不是一碼事。

這就是宇宙膨脹的基本內(nèi)容，歡迎討論，感謝閱讀。

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