你覺不覺得做瞪，科學(xué)家有時(shí)候挺不講武德？

譬如他們說光速是宇宙的極限速度，任何超光速運(yùn)動都是不被物理規(guī)則所允許的装蓬，倘若某個(gè)物體的運(yùn)動速度超過30萬公里/秒著拭，則它只能存在于那些不嚴(yán)謹(jǐn)對待物理知識的軟科幻故事中。

然而另一方面牍帚，他們又說宇宙曾是一個(gè)無限致密的奇點(diǎn)儡遮，體積無限接近于零，直到138億年前暗赶，由于某種原因"嘭"地一下炸開了花鄙币，并膨脹至今，才有了我們今天所見到的這個(gè)直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過930億光年的巨大空間蹂随。

如果你擁有小學(xué)二年級以上的數(shù)學(xué)水平十嘿，就會發(fā)現(xiàn)這其中似乎出現(xiàn)了一點(diǎn)問題：既然光速無法超越，那宇宙從一個(gè)奇點(diǎn)開始岳锁，以光速膨脹138億年绩衷，最多能長成一個(gè)半徑138億光年的大圓球，直徑怎么就超過930億光年了呢激率？

居然存在如此致命的矛盾咳燕，難道科學(xué)家的智力水平就這么差？

這當(dāng)然不可能乒躺，他們是人類當(dāng)中頭腦最聰慧招盲，學(xué)識最淵博的群體，絕不會犯下如此低級的錯(cuò)誤嘉冒，那么曹货，問題究竟出在哪兒嘞？

我想讳推，這事兒可能已經(jīng)成了你多年的疑惑顶籽，所以，咱們今兒個(gè)就來把光速究竟能否超越娜遵，宇宙又是如何超光速膨脹的這兩個(gè)問題蜕衡，撩它個(gè)底兒褲朝天壤短。

誰說光速不可超越设拟？

他說的，你信么久脯？

不管你信不信纳胧，我今天偏要冒《相對論》之大不韙，教你如何利用一個(gè)唾手可得的工具——你自己的雙腿帘撰，親自制造出一起超光速事件跑慕，保證童叟無欺。

我想，在知識普及度極高的今天核行，應(yīng)該沒有多少人會懷疑或否定"運(yùn)動與速度都是相對的"這個(gè)理論了吧牢硅。

假如你吃著火鍋唱著歌，帶著老婆開著車以60公里的時(shí)速在路上行駛芝雪，而我開著另一輛時(shí)速60公里的車朝你迎面沖來减余，就問你躲不躲？

不管你躲不躲惩系，你都不能否認(rèn)相對于你而言位岔，我是以120公里的時(shí)速沖向你的，除非你不講武德堡牡。

根據(jù)這個(gè)規(guī)律抒抬，咱們就可以推斷出，假如你騎著二踢腳上了天晤柄，以60%光速在太空中飛行擦剑，而我騎著另一支二踢腳以60%光速迎面沖向你，咱兩的相對速度就達(dá)到了120%光速可免。

看抓于，這不就制造出了超光速現(xiàn)象嗎，超光速并沒有多難浇借，不是么捉撮。

啊呸！如果這樣都能超過光速妇垢，那愛因斯坦的智商跟你我有什么區(qū)別巾遭？

在面對上述情況時(shí)，經(jīng)典力學(xué)是根據(jù)伽利略變換下的速度合成公式w=u+v來計(jì)算相對速度的闯估，這非常符合我們的一貫認(rèn)知灼舍，卻沖突于麥克斯韋方程組推導(dǎo)出的光速不變原理。因?yàn)楣馑俨蛔兙鸵馕吨鴥墒嘞蚨械墓庹切剑鄬τ诒舜说乃俣热匀粸楣馑倨锼兀皇?倍光速。如果w=u+v刚夺，如何解釋光速+光速=光速呢献丑？

為了解決這個(gè)矛盾，《論動體的電動力學(xué)》橫空出世了侠姑，愛因斯坦借以這篇論文向所有科學(xué)家宣布：你們這幫蠢蛋用小學(xué)加減運(yùn)算去計(jì)算光速這么高級的東西创橄，當(dāng)然要出問題，應(yīng)該這樣算才對嘛——

這是洛倫茲變換下的速度合成公式莽红，與伽利略變換的最大區(qū)別在于引入了速度造成的時(shí)空膨脹效應(yīng)妥畏，倘若我們把90%光速邦邦，也即0.9c代入這個(gè)公式中計(jì)算，將得到如下結(jié)果：

看見了吧醉蚁，甭說60%光速了燃辖，即使咱兩都騎著90%光速的二踢腳迎面沖向?qū)Ψ剑鄬λ俣热匀恢挥?9.4%光速网棍，非但沒能超過郭赐，甚至沒有達(dá)到光速。

機(jī)智如我的你想必也看出來了确沸，這個(gè)公式的大致形式就是用伽利略變換的結(jié)果去除以一個(gè)分母捌锭。在低速狀態(tài)下，譬如0.00000001%光速時(shí)罗捎，分母的值十分接近于1慈格，則結(jié)果自然也就基本等于伽利略變換的計(jì)算結(jié)果了盯另。

用這個(gè)算法來合成速度的好處是钉疫，低速物體的相對速度仍然符合我們的一貫認(rèn)知要出，而兩個(gè)相向而行的光速物體，相對速度也正好等于光速了倒得。

這下麥克斯韋的在天之靈可算是得以安息了泻红，可是……

這鬼公式咋這么神奇呢？

其實(shí)原因很簡單霞掺，這個(gè)公式本來就是在光速不變的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出來的谊路，有些類似于我根據(jù)w=5這個(gè)既定結(jié)果，推導(dǎo)出了w=(5+5)/2這個(gè)公式菩彬，得到結(jié)果能不是5么缠劝？

看到這里，你可能很想罵街：我去骗灶，這不就是個(gè)數(shù)學(xué)游戲嗎惨恭？數(shù)學(xué)好了不起啊耙旦？

別說脱羡，數(shù)學(xué)好還真就了不起。因?yàn)榕ｊ窭怪幵谟冢?b>洛倫茲變換不僅自洽于科學(xué)體系免都、在數(shù)學(xué)意義下完全成立锉罐，而且還與現(xiàn)實(shí)觀測十分吻合——這是科學(xué)家們反復(fù)通過各種觀測數(shù)據(jù)，及多項(xiàng)試驗(yàn)進(jìn)行過驗(yàn)證的琴昆，是經(jīng)受住了嚴(yán)酷拷問氓鄙，哦不馆揉，嚴(yán)格考驗(yàn)的业舍。

咱們今兒個(gè)不去深究光速不變原理在現(xiàn)實(shí)中是如何驗(yàn)證的，將來有機(jī)會再另出一期文章來討論這個(gè)問題∠夏海總而言之就是态罪，洛倫茲變換的結(jié)果表明，我們是真的沒有任何辦法鼓搗出超光速現(xiàn)象了——除非你長了兩條腿下面。

你有兩條腿嗎复颈？

你有。

所以沥割，你其實(shí)完全能親自制造出超光速現(xiàn)象來耗啦，并且還不用騎什么二踢腳，唯一要做的就是在青城……emmm……山下~~白素貞……

不對机杜，是清晨時(shí)分……

太陽剛冒出地平線時(shí)……

找個(gè)空曠的操場……

優(yōu)雅而不失風(fēng)度地……

追趕自己的尾巴帜讲。

屆時(shí)，整個(gè)世界都將在你眼中飛速旋轉(zhuǎn)椒拗，猶如你就是宇宙中最靚的仔似将。

而運(yùn)動是相對的，在這個(gè)過程中蚀苛，你可以認(rèn)為自己沒動在验，是山啊樹啊花啊草啊，或者電線桿子等外界景物在繞著你旋轉(zhuǎn)堵未，就像下圖醬紫腋舌。

當(dāng)然，無論你的雙腿有多粗壯渗蟹，你也不可能超光速奔跑侦厚，因此花花草草也好，電線桿子也罷拙徽，相對于你的速度統(tǒng)統(tǒng)都不可能超過光速刨沦。

可是你別忘了，在山的那邊海的那邊還懸掛著一顆紅彤彤的太陽嘞膘怕，它與你的距離長達(dá)149597870.7 公里想诅，這意味著你在地球上發(fā)羊癲瘋時(shí)，相對于你而言岛心，它一直在沿著一個(gè)半徑接近1.5億公里的圓形軌道圍著你愛的魔力轉(zhuǎn)圈圈来破。

這個(gè)軌道的半徑連光都要8分鐘才能跑完，而太陽卻能在以秒為單位的時(shí)間內(nèi)沿著軌道的周長一圈又一圈地轉(zhuǎn)個(gè)不停忘古，問：太陽此時(shí)的相對速度比光速快多少倍徘禁？

我說了童叟無欺的，對么髓堪？這種方法真的能讓你輕松制造出一個(gè)超光速現(xiàn)象送朱，缺陷是玩久了容易頭暈娘荡、惡心、嘔吐驶沼。

除外炮沐，我掐指一算就能想到——

此時(shí)此刻的你一定像臨死前的姬無命一樣懵逼

沒錯(cuò)，這種超光速現(xiàn)象并沒有任何現(xiàn)實(shí)意義回怜，但它卻很好地說明了一個(gè)問題：并非任何形式的相對速度都無法超過光速大年，相對論真正表達(dá)的思想是，任何攜帶了能量或信息的速度玉雾，都無法超過光速翔试。

這是什么意思呢？

在直線運(yùn)動狀態(tài)下复旬，物體的相對速度達(dá)到多少遏餐，就會實(shí)實(shí)在在地?cái)y帶多大的能量。

譬如你開著一輛時(shí)速120公里的車迎面沖向另一輛靜止不動的車赢底，鬼才知道你為什么要這樣做失都，總之你就是做了，那么此時(shí)它相對于你的時(shí)速也是120公里幸冻，于是你就會實(shí)實(shí)在在地體驗(yàn)到來自于一輛時(shí)速120公里的車的撞擊力有多酸爽粹庞。

除此之外，在直線運(yùn)動狀態(tài)下洽损，物體的相對速度達(dá)到多少庞溜，就能以多快的速度傳遞出信息。

譬如我想給你一耳光碑定，而咱兩距離18米流码，但我們都以9米/秒的速度跑向?qū)Ψ剑瑒t只需要1秒我的巴掌就呼在你臉上了延刘。這一巴掌的傳遞速度漫试，等同于它以18米/秒的速度飛向靜止物體的速度，所以叫"降龍18掌"碘赖。

結(jié)合上文提到的相對速度攜帶著相應(yīng)能量的例子驾荣，你可以想象一下這一掌的威力有多巨大。

什么普泡，我為啥要憑白無故給你一巴掌播掷？

因?yàn)槟銊偛抛矇牡哪禽v車是我的。

再反觀你原地轉(zhuǎn)圈的情況撼班，太陽相對于你的速度雖然大于光速歧匈，但它并未攜帶光速運(yùn)動的物體應(yīng)有的能量。假如它與你的距離不斷縮小砰嘁，最終撞在你的身上件炉，沖擊力也就等于你"咚"地一下撞到了旁邊的電線桿子而已勘究，不會讓你體驗(yàn)到一個(gè)超光速太陽的無窮威力。

更何況它盡管在以N倍光速圍著你不停地跑圈圈妻率，卻無法依靠這個(gè)速度在8分鐘以內(nèi)跑到你的跟前來撞你一下。換言之板祝，它不具備超光速傳遞信息的能力宫静。

由此可見，這種性質(zhì)的"超光速"券时，本質(zhì)上只是低速運(yùn)動隨距離的增加而產(chǎn)生的一種疊加效果孤里，只能體現(xiàn)在計(jì)算結(jié)果中，并不是真正的超光速運(yùn)動橘洞，相對論壓根兒就不稀得搭理它捌袜。

這就是超光速與"超光速"之間的根本區(qū)別，理解這一點(diǎn)對理解宇宙為何能超光速膨脹至關(guān)重要炸枣。

實(shí)際上虏等，類似的超光速現(xiàn)象還有許多，例如夜晚用一束激光快速掃過星空适肠，光柱指向點(diǎn)的位移速度超過了光速霍衫；電磁波在出現(xiàn)異常色散的情況時(shí)，波的相速度有時(shí)也會超過光速侯养。

再就是宇宙膨脹的過程中敦跌，距離銀河系十分遙遠(yuǎn)的星系，相對于地球的退行速度也同樣超過了光速逛揩，因此138億年就跑到距離地球465億光年以外的地方去了……

嗯柠傍？等等，好像又出問題了辩稽。

“星系退行”指的是其他星系與銀河系的距離在不斷變大惧笛，也就是它們相對于銀河系在不斷“倒退”，這……不就是……直線運(yùn)動嗎逞泄？

我們已經(jīng)在“降龍18掌”的例子中見識到了徐紧，直線運(yùn)動狀態(tài)下的相對速度是攜帶著相應(yīng)能量與信息傳遞能力的，正因如此炭懊，相對論才"明令禁止"這種相對速度超過光速并级。

從這一點(diǎn)來看，星系的退行速度大于光速顯然違反了相對論侮腹，從堅(jiān)決弘揚(yáng)科學(xué)精神的層面來說嘲碧，愛因斯坦難道不該管管這幫龜孫兒么？就算做不到雖遠(yuǎn)必誅父阻，至少也得開幾張超速罰單意思意思吧愈涩。

遺憾的是望抽，假如誰真的帶著罰單跑到它們跟前去，就會發(fā)現(xiàn)它們根本沒超速履婉，相反的煤篙，當(dāng)你驀然回首時(shí)，會發(fā)現(xiàn)銀河系反倒在超光速遠(yuǎn)離它們了毁腿。

你有感覺到自己在宇宙中超光速翱翔嗎辑奈？

你當(dāng)然沒有。

所以已烤，遙不可及的星系相對于彼此的超光速退行鸠窗，也要在距離足夠遠(yuǎn)的前提下才能體現(xiàn)出來，一旦靠近就慢下來了胯究。這種比較特殊的現(xiàn)象是均勻膨脹的物體或空間所具有的一種特殊性質(zhì)稍计，因此在所有均勻膨脹的物體上都有所體現(xiàn)，要說明這個(gè)問題裕循，我所能想到的最好的道具就是尺子了臣嚣。

注意：本文的重點(diǎn)——宇宙超光速膨脹的核心原因來了。

咱們試想有一把50毫米長的尺子由于某種超自然現(xiàn)象的影響剥哑，在1秒內(nèi)"嘭"地膨脹了一倍茧球，刻度仍然是50毫米，可實(shí)際長度變成了100毫米星持，就如下圖醬紫抢埋。

此時(shí)，尺子上的所有刻度之間的距離都從原先的1毫米變成了2毫米督暂。也就是說揪垄，任意刻度左右兩側(cè)的鄰近刻度都向遠(yuǎn)處移動了1毫米。這意味著在尺子膨脹的過程中逻翁，每條刻度兩側(cè)的相鄰刻度饥努，都在以1毫米/1秒的速度“退行”。

倘若有一條規(guī)定是八回，任何刻度的移動速度都不能超過10毫米/秒酷愧，則無論我們以哪條刻度為視角去觀察與之相鄰的刻度，都會發(fā)現(xiàn)它們嚴(yán)格遵守著這個(gè)規(guī)定——因?yàn)樗鼈冞@1秒的位移量全都只有1毫米嘛缠诅。

可問題是溶浴，尺子是從50毫米變成了100毫米啊，這意味著最左側(cè)和最右側(cè)的兩條刻度管引，相對于彼此的位移量已經(jīng)達(dá)到了50毫米士败，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了10毫米/秒的限速……詭異么？

明明所有刻度都在以直線運(yùn)動的方式彼此遠(yuǎn)離，然而相鄰刻度之間的相對速度全都很慢谅将，遠(yuǎn)距離刻度之間的相對速度卻在成倍地提高漾狼，這就是物體在均勻膨脹的載體上，隨著距離的增加而疊加出來的相對速度饥臂。

顯而易見的是逊躁，這種相對速度盡管在宏觀上體現(xiàn)出了實(shí)際影響，但本質(zhì)上仍然只是低速運(yùn)動因距離產(chǎn)生的疊加效果隅熙，因此同樣會隨著距離的縮短而逐漸喪失稽煤。

在宇宙膨脹的過程中，那些遠(yuǎn)距離的星系就是在這種效應(yīng)下體現(xiàn)出超光速退行的猛们，所以念脯，我們在以銀河系為參考的前提下狞洋，可以理解為宇宙是在超光速膨脹弯淘，或者說距離非常遙遠(yuǎn)的星系在超光速遠(yuǎn)離地球，但絕不能因此而認(rèn)為那些星系真的在超光速運(yùn)動吉懊。

其實(shí)在尺子的例子中庐橙，若我們再仔細(xì)一些，將某條刻度視為觀察者借嗽，去分析其他刻度的退行速度态鳖，還能找到一個(gè)特定規(guī)律——尺子膨脹之前距離觀察者1毫米的刻度，在尺子膨脹后向遠(yuǎn)處位移了1毫米恶导；距離觀察者2毫米的刻度則位移了2毫米浆竭；距離觀察者3毫米的刻度位移了3毫米……以此類推。

據(jù)此規(guī)律惨寿，我們便可以說相對于任意刻度邦泄，其他刻度的移動速度與距離成正比。甚至可以將其表達(dá)為一個(gè)常數(shù)：1mm/s/mm裂垦，意思是尺子的膨脹率為1毫米/秒/毫米顺囊，表示刻度與觀察者之間的距離每增加1毫米，每秒相對于觀察者的退行速度就加快1毫米蕉拢。

咱們的宇宙也具有一個(gè)類似的膨脹率特碳，是以哈勃常數(shù)來描述的，它的值在50km/S/Mpc—90km/S/Mpc之間晕换，目前被廣泛認(rèn)可的值是71km/S/Mpc午乓。

Mpc（百萬秒差距）是天文學(xué)使用的一種距離單位，1Mpc約合326萬光年闸准。71km/S/Mpc的意思就是：星系與觀察者之間的距離每增加326萬光年硅瞧，每秒相對于觀察者的退行速度就會加快71公里。

看明白了嗎恕汇？哈勃常數(shù)所蘊(yùn)含的核心思想就是腕唧，宇宙的膨脹速度為71公里/秒/326萬光年——這才是所有星系真正的退行速度或辖，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于30萬公里/秒/不管多遠(yuǎn)的光速。

但是枣接，由于空間在均勻膨脹颂暇，星系與星系之間存在退行速度與距離成正比的現(xiàn)象，因此但惶，當(dāng)兩個(gè)星系的距離足夠遙遠(yuǎn)時(shí)耳鸯，它們的相對退行速度就大于30萬公里/秒了，而這種超光速同樣只能體現(xiàn)在計(jì)算結(jié)果中膀曾，并非真正意義上的超光速運(yùn)動县爬。

實(shí)際上，也正是由于哈勃常數(shù)表明銀河系外的所有星系添谊，均體現(xiàn)出了退行速度與距離成正比的規(guī)律财喳，天文學(xué)家們才大膽地作出了宇宙在均勻膨脹的假定，而不認(rèn)為是星系本身在向遠(yuǎn)處運(yùn)動斩狱。畢竟耳高，億萬星系自身在空間中運(yùn)動，卻步調(diào)一致地在速度和距離上體現(xiàn)出特定規(guī)律所踊，如此巧合實(shí)在有是讓人難以置信泌枪。

這就好比你是一只微生物，生活在尺子的某條刻度中秕岛，你看不見尺子的邊界碌燕，但能發(fā)現(xiàn)兩側(cè)的所有刻度都在逐漸遠(yuǎn)離你，且移動速度與距離成正比继薛，那么更合理的猜測當(dāng)然是整條尺子在均勻膨脹修壕，而不是刻度本身在向外移動了——最后這張動圖或許能讓你深刻理解這一點(diǎn)。