天文之最：宇宙中谁最快？是光速还是宇宙本身膨胀的速度？ ...

发布者：自由知新 2022-12-26 19:23

近来我和一个教授探讨关于早期宇宙和急速膨胀的话题，他断言称宇宙扩张的速度不会比光速快。为什么对此会出现这样的误解呢？

围绕这个话题的一些误解可能来自对宇宙“膨胀速度超过光速”意义的混淆。然而，针对这个问题最简单的解释，答案是宇宙膨胀的速度确实比光速快。而且更令人惊讶的是，我们现在能看到的一些星系目前正以比光速更快的速度离开我们！由于它们的速度很快，这些星系终有一天将永远脱离我们的可见范围；它们当中的一些星系正散发着最后几缕光，穿越遥远的太空经过数十亿年才能到达地球。在那之后，我们将观察到它们逐渐晦暗褪色，直到再也不会被观测到。

至于“在宇宙急速膨胀期间发生了什么”这种具体问题，急速膨胀被认为是早期宇宙的标志，笔者对此也不太清楚。然而，膨胀理论的基本思想是：我们所能看到的只是浩瀚宇宙中的一小部分，宇宙在急速膨胀时期经历了指数爆炸式增长。因此，在膨胀期间肯定存在互为参照相对彼此移动得比光速更快的点。是不是我们可见的宇宙中任何一点相对参照物而言都比光移动得快，笔者对此不敢断言，但我们会继续学习有关知识，如果找到了任何有用的信息就更新这篇回答。

为了更详尽地回答这一广泛的问题，我们需要详细阐明宇宙“膨胀速度超过光速”的含义。宇宙并不是坐落在太空中星系的集合体，所有的星系都在远离中心的一个点。取而代之，另一个更恰当的比喻是将宇宙看作一个遍布葡萄干的巨大面团（葡萄干代表星系，面团代表宇宙空间），当我们将面团放进烤箱中，它开始膨胀，或者更精确地讲，是“延伸”：间距保持着与之前相同的比例，但随着时间的推移，所有星系之间的距离都变得更大。

本质是不同星系以不同的相对速度移动；星系越远，它们飞离的速度越快。所以，当我们发出疑问宇宙“膨胀速度是否比光速快”，我将它阐释成——宇宙中是否有任何两个星系相对彼此的移动速度比光速快？

那么我们是怎样观测到这一现象的？就像之前问题所讨论的，宇宙膨胀的尺度由哈勃常数所确定，该常数的数值近似等于71(km/s)/Mpc，采用技术上有帮助但概念上令人困惑的单位千米/（秒·百万秒差距）来衡量。在一些更易于理解的单位中，哈勃常数约等于0.007％每百万年——意味着每百万年宇宙中的所有距离都会延伸0.007% （这种解释假定哈勃“常数”在数百万年内保持不变，然而事实并非如此，但考虑到宇宙时间尺度上的一百万年是极短的，这就成为一个很好的近似。

它还假设当我们讨论两个星系之间的“距离”时，我们指的是现在的距离，即假如我们不知何故按下了“宇宙定格按键”，从而停止了宇宙的膨胀，然后在两个星系之间用一个很长的卷尺测量读出的距离。在宇宙学中可以定义许多其它的距离，但这对于当前问题来说是最有用的距离）。

如果我们采用上面给出的单位定义，那么哈勃常数告诉我们对于两个星系之间的每百万秒差距，星系彼此分开的表观速度每秒增加71千米，由于我们知道光速约为30万千米每秒，就可以很容易地计算出这两个星系要相隔多远才能满足星系彼此远离的速度比光速快。经过计算我们得到的答案是两个星系之间相隔至少约4,200百万秒差距（130,000,000,000,000,000,000,000千米）。

所以我们可以将原始问题简化：整个宇宙中是否有任何两个星系的距离（如上定义）大于4,200百万秒差距？

我们可以先通过“自我欺骗”来回答这个问题：由于目前的宇宙学理论认为宇宙是无穷大的，那么一定存在几簇星系彼此相隔距离大于4,200百万秒差距——事实上，它们会是无穷多的！但如果我们跟进实际观测，会发现其实我们无法真正证明宇宙是无限的。鉴于此，一个更公平的问题便提了出来：可见宇宙（我们目前可以看到的宇宙部分）中是否有任何星系正在以比光速更快的速度远离我们？

很意外，答案是肯定的。Ned Wright的宇宙学教程中有一个计算器，可以计算许多种有关宇宙模型或距离我们发生不同“红移”（红移是实验上易于确定的星系光波的性质，它告诉我们宇宙在光发射的时刻和光被接收到的时刻之间膨胀的尺度）的星系的数值，例如距离。采用宇宙膨胀速率、加速度以及其他参数（计算机的默认输入）的最佳观测确定值，我们会发现如果红移的数值大约在1.4，所得到的距离约为4,200百万秒差距。因此，任何红移值大于1.4的星系目前都在以比光速更快的速度远离我们。

那么我们能够观测到这些星系吗？是的，我们当然可以。明亮的星系常常会被探测到有相当大的红移；1.4的红移值并不算很大。例如，这里有一些类星体（中心有极其活跃的黑洞的一种星系）的图片，红移值大约为5。我们甚至可以看到一些光（虽然不是独立的物质）的红移值一直回到1000左右。（这种光被称为宇宙微波背景辐射，在宇宙大爆炸发生后约38万年被散射出来，刚好在宇宙冷却到足以让光经过所有介质之后）。与此同时，计算机吐露出的数字告诉我们对于一个红移值为1.4的星系，我们目前所能观测到的星系的光其实是在宇宙大爆炸后约4.6亿年发射出来的，当时宇宙的发育已经相当完备。

你可能会好奇——我们怎么可能观测到一个远离我们的速度超过光速的星系？答案是此刻星系的运动对数十亿年前它们发射出的光没有任何影响。光并不关心星系在做什么；它只关心它当前的位置和我们所在位置之间空间的延伸尺度。所以我们容易设想出一种情形，在光被发射出去的那一刻星系的运动速度尚未超过光速；因此，当宇宙膨胀时，光能够“逃逸”空间的膨胀并向我们移动，同时星系会逐渐远离我们。

记住我们在上面所学的东西——在按比例拉伸的宇宙中更远的物质向后移动速度更快——我们可以在光发射后立即看到这种情况，星系远离我们的速度比光所在位置的点移动更快，并且这种差距只会随着时间的推移而增大，星系和它发出的光会更快分离。因此，我们很容易遇到这种情况，即星系继续以越来越快的速度飞离，最终相对于我们达到或者超过光速，而它在数十亿年前散射出的光在宇宙中从容而悠闲地流浪，不必追逐那些超光速延伸的区域，从而它们中的一些最终抵达到地球，进入我们的视野。

你可能也想知道星系怎么会打破速度的屏障超越光速，为此，请参阅笔者对上一个问题的回答。

然而，我们所见星系正以超光速的速度远离我们的事实会带来一些暗淡的后果。天文学家现有充分的证据证明我们生活在一个“加速宇宙”中，这意味着随着时间的推移，每个星系相对我们的运动速度都会不断增加。如果假设这种加速会无限度地持续下去，那么目前正以超光速远离我们的星系将更快地远离我们，最终我们和这些星系间遥远的空间延伸的十分迅速，以至于任何从彼处发射出的光都无法抵达我们的视野。随着时间的推移（未来数十亿年），我们将看到这些星系逐渐冻结褪色，直到永远失去了音信。

此外，随着越来越多星系加速超过了光速，在某一时间点后它们发出的光也将再也无法被我们观测到，它们也会变得晦暗，逐渐褪去了颜色。最终将留下一个几乎什么也看不见的漆黑的宇宙，只有少数十分邻近的星系（运动受当前位置引力作用的强烈影响）散发出的光才能照亮我们漆黑的夜空。若想了解更多详细信息，请参阅该主题的专业文献。

当前有哪些星系在“诉说着它们最后的告别”？或者说，如果我们想象有居住在这些星系中的外星人想要与我们取得联络，哪些星系在此刻正等待终将来临的期限？一个合理的猜测是目前以光速相对我们移动的星系（距离4,200百万秒差距、红移值为1.4，如上所述）处于“临界点”，它们此刻正发射的光将永远无法抵达地球。粗略来说是正确的，但更精密的计算表明，对于加速宇宙最简单可行的模型，它实际上是距离为4,740百万秒差距、红移值为1.69的星系才会达到临界点，而红移值为1.4的星系发出的光最终仍会抵达到我们的视野。

这种差异来源于一个相当精妙的事实：即使宇宙正在“加速”，在此意义上每个星系移动速度随着时间的推移变得更快，哈勃常数实际上随着时间的推移而减小——换句话说，在与我们保持固定距离的点处测量的宇宙膨胀速率随着时间的推移会变小。如果我们只关注一个正远离我们的星系，我们将会观测到它的加速，但如果我们将目光锁定在宇宙中一个固定点然后观察许多不同的星系超过那个点，那么每一个星系的速度会比它之前的那个更慢（作一个粗略的比喻，宇宙行为像一个湍急的河流，如果你将一艘小船放进河中让它随波逐流，当它向下游流动时会逐渐加速而变快。

但如果你坐在岸上测量某一个地方水流的流速，它会根据一系列因素而发生变化——例如，上游的供水速率无时无刻不在发生变化。水速有可能会在你的位置随着时间的推移而变慢，即便你放入河中的每一艘小船在进入湍流时都会加速）。由于这一效应，如果光能够“逆流而上”并且相对于我们保持大致恒定的距离（假设它是从相对我们以光速远离的星系发射出来的），那么随着时间的推移哈勃常数变小，它最终能够到达地球，“逆流而上”并穿越了遥远的时空来到我们身边。