近來我和一個教授探討關於早期宇宙和急速膨脹的話題，他斷言稱宇宙擴張的速度不會比光速快。為什麼對此會出現這樣的誤解呢？

圍繞這個話題的一些誤解可能來自對宇宙“膨脹速度超過光速”意義的混淆。然而，針對這個問題最簡單的解釋，答案是宇宙膨脹的速度確實比光速快。而且更令人驚訝的是，我們現在能看到的一些星系目前正以比光速更快的速度離開我們！由於它們的速度很快，這些星系終有一天將永遠脫離我們的可見範圍；它們當中的一些星系正散發著最後幾縷光，穿越遙遠的太空經過數十億年才能到達地球。在那之後，我們將觀察到它們逐漸晦暗褪色，直到再也不會被觀測到。

至於“在宇宙急速膨脹期間發生了什麼”這種具體問題，急速膨脹被認為是早期宇宙的標誌，筆者對此也不太清楚。然而，膨脹理論的基本思想是：我們所能看到的只是浩瀚宇宙中的一小部分，宇宙在急速膨脹時期經歷了指數爆炸式增長。因此，在膨脹期間肯定存在互為參照相對彼此移動得比光速更快的點。是不是我們可見的宇宙中任何一點相對參照物而言都比光移動得快，筆者對此不敢斷言，但我們會繼續學習有關知識，如果找到了任何有用的信息就更新這篇回答。

為了更詳盡地回答這一廣泛的問題，我們需要詳細闡明宇宙“膨脹速度超過光速”的含義。宇宙並不是坐落在太空中星系的集合體，所有的星系都在遠離中心的一個點。取而代之，另一個更恰當的比喻是將宇宙看作一個遍佈葡萄乾的巨大面團（葡萄乾代表星系，麵糰代表宇宙空間），當我們將麵糰放進烤箱中，它開始膨脹，或者更精確地講，是“延伸”：間距保持著與之前相同的比例，但隨著時間的推移，所有星系之間的距離都變得更大。

本質是不同星系以不同的相對速度移動；星系越遠，它們飛離的速度越快。所以，當我們發出疑問宇宙“膨脹速度是否比光速快”，我將它闡釋成——宇宙中是否有任何兩個星系相對彼此的移動速度比光速快？

那麼我們是怎樣觀測到這一現象的？就像之前問題所討論的，宇宙膨脹的尺度由哈勃常數所確定，該常數的數值近似等於71(km/s)/Mpc，採用技術上有幫助但概念上令人困惑的單位千米/（秒·百萬秒差距）來衡量。在一些更易於理解的單位中，哈勃常數約等於0.007％每百萬年——意味著每百萬年宇宙中的所有距離都會延伸0.007% （這種解釋假定哈勃“常數”在數百萬年內保持不變，然而事實並非如此，但考慮到宇宙時間尺度上的一百萬年是極短的，這就成為一個很好的近似。

它還假設當我們討論兩個星系之間的“距離”時，我們指的是現在的距離，即假如我們不知何故按下了“宇宙定格按鍵”，從而停止了宇宙的膨脹，然後在兩個星系之間用一個很長的捲尺測量讀出的距離。在宇宙學中可以定義許多其它的距離，但這對於當前問題來說是最有用的距離）。

如果我們採用上面給出的單位定義，那麼哈勃常數告訴我們對於兩個星系之間的每百萬秒差距，星系彼此分開的表觀速度每秒增加71千米，由於我們知道光速約為30萬千米每秒，就可以很容易地計算出這兩個星系要相隔多遠才能滿足星系彼此遠離的速度比光速快。經過計算我們得到的答案是兩個星系之間相隔至少約4,200百萬秒差距（130,000,000,000,000,000,000,000千米）。

所以我們可以將原始問題簡化：整個宇宙中是否有任何兩個星系的距離（如上定義）大於4,200百萬秒差距？

我們可以先通過“自我欺騙”來回答這個問題：由於目前的宇宙學理論認為宇宙是無窮大的，那麼一定存在幾簇星系彼此相隔距離大於4,200百萬秒差距——事實上，它們會是無窮多的！但如果我們跟進實際觀測，會發現其實我們無法真正證明宇宙是無限的。鑑於此，一個更公平的問題便提了出來：可見宇宙（我們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遠離我們？

很意外，答案是肯定的。Ned Wright的宇宙學教程中有一個計算器，可以計算許多種有關宇宙模型或距離我們發生不同“紅移”（紅移是實驗上易於確定的星系光波的性質，它告訴我們宇宙在光發射的時刻和光被接收到的時刻之間膨脹的尺度）的星系的數值，例如距離。採用宇宙膨脹速率、加速度以及其他參數（計算機的默認輸入）的最佳觀測確定值，我們會發現如果紅移的數值大約在1.4，所得到的距離約為4,200百萬秒差距。因此，任何紅移值大於1.4的星系目前都在以比光速更快的速度遠離我們。

那麼我們能夠觀測到這些星系嗎？是的，我們當然可以。明亮的星系常常會被探測到有相當大的紅移；1.4的紅移值並不算很大。例如，這裡有一些類星體（中心有極其活躍的黑洞的一種星系）的圖片，紅移值大約為5。我們甚至可以看到一些光（雖然不是獨立的物質）的紅移值一直回到1000左右。（這種光被稱為宇宙微波背景輻射，在宇宙大爆炸發生後約38萬年被散射出來，剛好在宇宙冷卻到足以讓光經過所有介質之後）。與此同時，計算機吐露出的數字告訴我們對於一個紅移值為1.4的星系，我們目前所能觀測到的星系的光其實是在宇宙大爆炸後約4.6億年發射出來的，當時宇宙的發育已經相當完備。

你可能會好奇——我們怎麼可能觀測到一個遠離我們的速度超過光速的星系？答案是此刻星系的運動對數十億年前它們發射出的光沒有任何影響。光並不關心星系在做什麼；它只關心它當前的位置和我們所在位置之間空間的延伸尺度。所以我們容易設想出一種情形，在光被髮射出去的那一刻星系的運動速度尚未超過光速；因此，當宇宙膨脹時，光能夠“逃逸”空間的膨脹並向我們移動，同時星系會逐漸遠離我們。

記住我們在上面所學的東西——在按比例拉伸的宇宙中更遠的物質向後移動速度更快——我們可以在光發射後立即看到這種情況，星系遠離我們的速度比光所在位置的點移動更快，並且這種差距只會隨著時間的推移而增大，星系和它發出的光會更快分離。因此，我們很容易遇到這種情況，即星系繼續以越來越快的速度飛離，最終相對於我們達到或者超過光速，而它在數十億年前散射出的光在宇宙中從容而悠閒地流浪，不必追逐那些超光速延伸的區域，從而它們中的一些最終抵達到地球，進入我們的視野。

你可能也想知道星系怎麼會打破速度的屏障超越光速，為此，請參閱筆者對上一個問題的回答。

然而，我們所見星系正以超光速的速度遠離我們的事實會帶來一些暗淡的後果。天文學家現有充分的證據證明我們生活在一個“加速宇宙”中，這意味著隨著時間的推移，每個星系相對我們的運動速度都會不斷增加。如果假設這種加速會無限度地持續下去，那麼目前正以超光速遠離我們的星系將更快地遠離我們，最終我們和這些星系間遙遠的空間延伸的十分迅速，以至於任何從彼處發射出的光都無法抵達我們的視野。隨著時間的推移（未來數十億年），我們將看到這些星系逐漸凍結褪色，直到永遠失去了音信。

此外，隨著越來越多星系加速超過了光速，在某一時間點後它們發出的光也將再也無法被我們觀測到，它們也會變得晦暗，逐漸褪去了顏色。最終將留下一個幾乎什麼也看不見的漆黑的宇宙，只有少數十分鄰近的星系（運動受當前位置引力作用的強烈影響）散發出的光才能照亮我們漆黑的夜空。若想了解更多詳細信息，請參閱該主題的專業文獻。

當前有哪些星系在“訴說著它們最後的告別”？或者說，如果我們想象有居住在這些星系中的外星人想要與我們取得聯絡，哪些星系在此刻正等待終將來臨的期限？一個合理的猜測是目前以光速相對我們移動的星系（距離4,200百萬秒差距、紅移值為1.4，如上所述）處於“臨界點”，它們此刻正發射的光將永遠無法抵達地球。粗略來說是正確的，但更精密的計算表明，對於加速宇宙最簡單可行的模型，它實際上是距離為4,740百萬秒差距、紅移值為1.69的星系才會達到臨界點，而紅移值為1.4的星系發出的光最終仍會抵達到我們的視野。

這種差異來源於一個相當精妙的事實：即使宇宙正在“加速”，在此意義上每個星系移動速度隨著時間的推移變得更快，哈勃常數實際上隨著時間的推移而減小——換句話說，在與我們保持固定距離的點處測量的宇宙膨脹速率隨著時間的推移會變小。如果我們只關注一個正遠離我們的星系，我們將會觀測到它的加速，但如果我們將目光鎖定在宇宙中一個固定點然後觀察許多不同的星系超過那個點，那麼每一個星系的速度會比它之前的那個更慢（作一個粗略的比喻，宇宙行為像一個湍急的河流，如果你將一艘小船放進河中讓它隨波逐流，當它向下遊流動時會逐漸加速而變快。

但如果你坐在岸上測量某一個地方水流的流速，它會根據一系列因素而發生變化——例如，上游的供水速率無時無刻不在發生變化。水速有可能會在你的位置隨著時間的推移而變慢，即便你放入河中的每一艘小船在進入湍流時都會加速）。由於這一效應，如果光能夠“逆流而上”並且相對於我們保持大致恆定的距離（假設它是從相對我們以光速遠離的星系發射出來的），那麼隨著時間的推移哈勃常數變小，它最終能夠到達地球，“逆流而上”並穿越了遙遠的時空來到我們身邊。

參考資料

1.WJ百科全書

2.天文學名詞

3. Dave Rothstein

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