为什么星系超光速退行不会违背相对论？

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宇宙中存在着大量的星系，我们能观测到的数量估计为2万亿个。最近的河外星系离银河系只有几万光年，最远的河外星系位于上百亿光年之外。在这些星系中 ，它们的光谱大都显示出红移，而且距离越远红移值越大。这意味着河外星系都在远去，而且距离越远，远离速度越快。

如果河外星系离银河系足够远，它们的退行速度甚至可以超过光速。然而，爱因斯坦的相对论又指出，任何速度都不可能超过光速。那么，星系的退行速度是如何超光速的呢？为什么这样的超光速又没有与相对论相违背呢？

狭义相对论：光速如何不可超越？

相对论是大家喜欢谈论的一个话题，但这个理论很容易被误解。宇宙中确实存一个终极速度，那就是真空光速c。而且一旦物体有静止质量，光速都不可能达到，更不用说超光速，只有静止质量为零的东西才能以光速运动。

需要注意的是，我们通常在谈论速度时，都是指物体相对于局域静止空间的速度。但如果两个物体处于不同的空间坐标，在谈论速度时就需要注意一个关键的因素——时空本身的曲率和演化，这是广义相对论所讨论的范畴。

狭义相对论的适用范围是静态且没有曲率的平坦空间，但在现实中，宇宙中充满了物质和能量。在物质和能量存在的情况下，时空结构会随着随时间而变化，导致空间位置发生了变化。

在诸如恒星这样的大质量天体周围，空间会被弯曲，处在这种弯曲空间中的物体就会加速靠近该大质量天体，从而表现出引力效应，这就是广义相对论对引力的解释。即使物体没有相对于空间结构本身存在运动，它也会随着空间结构的变化而发生运动。空间就像一条传送带，即便传送带上的物体是不动的，但运动的传送带会带着上面的物体一起运动。

广义相对论：星系可以超光速退行

根据广义相对论，在一个各向同性且均匀的宇宙中，时空想要保持静态是不可能的，宇宙要么在坍缩，要么在膨胀。但爱因斯坦一开始不允许这样的事情发生，他在这个理论中引入了宇宙学常数，以维持时空静态。

在20世纪20年代，哈勃对星系的光谱做了详尽研究。结果发现，宇宙中的星系并不是一半蓝移一半红移，而是几乎都在红移，只有银河系附近的少数星系出现蓝移，这表明星系基本上都在远离银河系。

根据多普勒效应，光源在逐渐远离而去时，光的波长会变长，这会导致出现红移。不过，星系的红移并非是狭义相对论的那种局域运动引起的，因为还有一个更重要的规律，这会让星系以超光速退行。

哈勃定律

星系不仅大都在退行，而去退行速度（v）还会随着距离（D）的增加而线性增加，这个关系如今被称为哈勃定律，比例系数被称为哈勃常数（H0）。

唯一能够解释哈勃定律的事实是空间自身正在膨胀。如果把气球表面比作空间结构，气球上的点比作空间中的星系。那么，当气球膨胀时，气球上的点就会随之被互相推开。无论从哪个点看来，其他点都在退行，而且距离越远的点退行速度越快。因此，只要距离足够远，星系之间的空间在单位时间内膨胀足够多，就会导致星系之间以超光速退行。

空间膨胀速度有多快？

目前，哈勃常数的测量值大概为70千米/秒/百万秒差距。百万秒差距是天文学上所使用的长度单位，1百万秒差距表示326万光年。哈勃常数表明，如果两个星系的距离为326万光年，那么，空间膨胀会让它们以70千米/秒的速度互相远离，其他距离以此类推。

照此来算，当两个星系的距离达到140亿光年之时，空间膨胀会让它们互相分开的速度达到光速。如果距离超过140亿光年，星系的退行速度就会大于光速。值得再次强调的是，这并不是星系在空间中真的以超光速运动，而是由空间结构的膨胀所引起的，这与相对论中的速度概念完全不是一回事。

由于宇宙不断膨胀，我们所能观测到的最远星系GN-z11现在已经退行到了320亿光年之外，它目前的退行速度是光速的2.3倍，这是目前已知退行速度最快的星系。它现在发出的光永远也无法抵达地球，所以我们不可能观测到现在的GN-z11。

即便未来能够制造出非常先进的天文望远镜，观测到最为遥远的宇宙，但绝大多数星系都无法被我们观测到。未来，我们只能观测到现在距离银河系不超过140亿光年的星系，因为它们目前发出的光经过足够长的时间之后，最终还能到达地球。


原文地址：今日头条

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