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。
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