只需要一把尺子就能搞懂，为何光速无法超越，宇宙却在超光速膨胀
你觉不觉得，科学家有时候挺不讲武德？
譬如他们说光速是宇宙的极限速度，任何超光速运动都是不被物理规则所允许的，倘若某个物体的运动速度超过30万公里/秒，则它只能存在于那些不严谨对待物理知识的软科幻故事中。
然而另一方面，他们又说宇宙曾是一个无限致密的奇点，体积无限接近于零，直到138亿年前，由于某种原因"嘭"地一下炸开了花，并膨胀至今，才有了我们今天所见到的这个直径远远超过930亿光年的巨大空间。
如果你拥有小学二年级以上的数学水平，就会发现这其中似乎出现了一点问题：既然光速无法超越，那宇宙从一个奇点开始，以光速膨胀138亿年，最多能长成一个半径138亿光年的大圆球，直径怎么就超过930亿光年了呢？
居然存在如此致命的矛盾，难道科学家的智力水平就这么差？
这当然不可能，他们是人类当中头脑最聪慧，学识最渊博的群体，绝不会犯下如此低级的错误，那么，问题究竟出在哪儿嘞？
我想，这事儿可能已经成了你多年的疑惑，所以，咱们今儿个就来把光速究竟能否超越，宇宙又是如何超光速膨胀的这两个问题，撩它个底儿裤朝天。
谁说光速不可超越？
他说的，你信么？
不管你信不信，我今天偏要冒《相对论》之大不韪，教你如何利用一个唾手可得的工具——你自己的双腿，亲自制造出一起超光速事件，保证童叟无欺。
我想，在知识普及度极高的今天，应该没有多少人会怀疑或否定"运动与速度都是相对的"这个理论了吧。
假如你吃着火锅唱着歌，带着老婆开着车以60公里的时速在路上行驶，而我开着另一辆时速60公里的车朝你迎面冲来，就问你躲不躲？
不管你躲不躲，你都不能否认相对于你而言，我是以120公里的时速冲向你的，除非你不讲武德。
根据这个规律，咱们就可以推断出，假如你骑着二踢脚上了天，以60%光速在太空中飞行，而我骑着另一支二踢脚以60%光速迎面冲向你，咱两的相对速度就达到了120%光速。
看，这不就制造出了超光速现象吗，超光速并没有多难，不是么。
啊呸！如果这样都能超过光速，那爱因斯坦的智商跟你我有什么区别？
在面对上述情况时，经典力学是根据伽利略变换下的速度合成公式w=u+v来计算相对速度的，这非常符合我们的一贯认知，却冲突于麦克斯韦方程组推导出的光速不变原理。因为光速不变就意味着两束相向而行的光，相对于彼此的速度仍然为光速，而不是2倍光速。如果w=u+v，如何解释光速+光速=光速呢？
为了解决这个矛盾，《论动体的电动力学》横空出世了，爱因斯坦借以这篇论文向所有科学家宣布：你们这帮蠢蛋用小学加减运算去计算光速这么高级的东西，当然要出问题，应该这样算才对嘛——
这是洛伦兹变换下的速度合成公式，与伽利略变换的最大区别在于引入了速度造成的时空膨胀效应，倘若我们把90%光速，也即0.9c代入这个公式中计算，将得到如下结果：
看见了吧，甭说60%光速了，即使咱两都骑着90%光速的二踢脚迎面冲向对方，相对速度仍然只有99.4%光速，非但没能超过，甚至没有达到光速。
机智如我的你想必也看出来了，这个公式的大致形式就是用伽利略变换的结果去除以一个分母。在低速状态下，譬如0.00000001%光速时，分母的值十分接近于1，则结果自然也就基本等于伽利略变换的计算结果了。
用这个算法来合成速度的好处是，低速物体的相对速度仍然符合我们的一贯认知，而两个相向而行的光速物体，相对速度也正好等于光速了。
这下麦克斯韦的在天之灵可算是得以安息了，可是……
这鬼公式咋这么神奇呢？
其实原因很简单，这个公式本来就是在光速不变的基础上推导出来的，有些类似于我根据w=5这个既定结果，推导出了w=(5+5)/2这个公式，得到结果能不是5么？
看到这里，你可能很想骂街：我去，这不就是个数学游戏吗？数学好了不起啊？
别说，数学好还真就了不起。因为牛掰格拉斯之处在于，洛伦兹变换不仅自洽于科学体系、在数学意义下完全成立，而且还与现实观测十分吻合——这是科学家们反复通过各种观测数据，及多项试验进行过验证的，是经受住了严酷拷问，哦不，严格考验的。
咱们今儿个不去深究光速不变原理在现实中是如何验证的，将来有机会再另出一期文章来讨论这个问题。总而言之就是，洛伦兹变换的结果表明，我们是真的没有任何办法鼓捣出超光速现象了——除非你长了两条腿。
你有两条腿吗？
你有。
所以，你其实完全能亲自制造出超光速现象来，并且还不用骑什么二踢脚，唯一要做的就是在青城……emmm……山下~~白素贞……
不对，是清晨时分……
太阳刚冒出地平线时……
找个空旷的操场……
优雅而不失风度地……
追赶自己的尾巴。
届时，整个世界都将在你眼中飞速旋转，犹如你就是宇宙中最靓的仔。
而运动是相对的，在这个过程中，你可以认为自己没动，是山啊树啊花啊草啊，或者电线杆子等外界景物在绕着你旋转，就像下图酱紫。
当然，无论你的双腿有多粗壮，你也不可能超光速奔跑，因此花花草草也好，电线杆子也罢，相对于你的速度统统都不可能超过光速。
可是你别忘了，在山的那边海的那边还悬挂着一颗红彤彤的太阳嘞，它与你的距离长达149597870.7 公里，这意味着你在地球上发羊癫疯时，相对于你而言，它一直在沿着一个半径接近1.5亿公里的圆形轨道围着你爱的魔力转圈圈。
这个轨道的半径连光都要8分钟才能跑完，而太阳却能在以秒为单位的时间内沿着轨道的周长一圈又一圈地转个不停，问：太阳此时的相对速度比光速快多少倍？
我说了童叟无欺的，对么？这种方法真的能让你轻松制造出一个超光速现象，缺陷是玩久了容易头晕、恶心、呕吐。
除外，我掐指一算就能想到——
此时此刻的你一定像临死前的姬无命一样懵逼
没错，这种超光速现象并没有任何现实意义，但它却很好地说明了一个问题：并非任何形式的相对速度都无法超过光速，相对论真正表达的思想是，任何携带了能量或信息的速度，都无法超过光速。
这是什么意思呢？
在直线运动状态下，物体的相对速度达到多少，就会实实在在地携带多大的能量。
譬如你开着一辆时速120公里的车迎面冲向另一辆静止不动的车，鬼才知道你为什么要这样做，总之你就是做了，那么此时它相对于你的时速也是120公里，于是你就会实实在在地体验到来自于一辆时速120公里的车的撞击力有多酸爽。
除此之外，在直线运动状态下，物体的相对速度达到多少，就能以多快的速度传递出信息。
譬如我想给你一耳光，而咱两距离18米，但我们都以9米/秒的速度跑向对方，则只需要1秒我的巴掌就呼在你脸上了。这一巴掌的传递速度，等同于它以18米/秒的速度飞向静止物体的速度，所以叫"降龙18掌"。
结合上文提到的相对速度携带着相应能量的例子，你可以想象一下这一掌的威力有多巨大。
什么，我为啥要凭白无故给你一巴掌？
因为你刚才撞坏的那辆车是我的。
再反观你原地转圈的情况，太阳相对于你的速度虽然大于光速，但它并未携带光速运动的物体应有的能量。假如它与你的距离不断缩小，最终撞在你的身上，冲击力也就等于你"咚"地一下撞到了旁边的电线杆子而已，不会让你体验到一个超光速太阳的无穷威力。
更何况它尽管在以N倍光速围着你不停地跑圈圈，却无法依靠这个速度在8分钟以内跑到你的跟前来撞你一下。换言之，它不具备超光速传递信息的能力。
由此可见，这种性质的"超光速"，本质上只是低速运动随距离的增加而产生的一种叠加效果，只能体现在计算结果中，并不是真正的超光速运动，相对论压根儿就不稀得搭理它。
这就是超光速与"超光速"之间的根本区别，理解这一点对理解宇宙为何能超光速膨胀至关重要。
实际上，类似的超光速现象还有许多，例如夜晚用一束激光快速扫过星空，光柱指向点的位移速度超过了光速；电磁波在出现异常色散的情况时，波的相速度有时也会超过光速。
再就是宇宙膨胀的过程中，距离银河系十分遥远的星系，相对于地球的退行速度也同样超过了光速，因此138亿年就跑到距离地球465亿光年以外的地方去了……
嗯？等等，好像又出问题了。
“星系退行”指的是其他星系与银河系的距离在不断变大，也就是它们相对于银河系在不断“倒退”，这……不就是……直线运动吗？
我们已经在“降龙18掌”的例子中见识到了，直线运动状态下的相对速度是携带着相应能量与信息传递能力的，正因如此，相对论才"明令禁止"这种相对速度超过光速。
从这一点来看，星系的退行速度大于光速显然违反了相对论，从坚决弘扬科学精神的层面来说，爱因斯坦难道不该管管这帮龟孙儿么？就算做不到虽远必诛，至少也得开几张超速罚单意思意思吧。
遗憾的是，假如谁真的带着罚单跑到它们跟前去，就会发现它们根本没超速，相反的，当你蓦然回首时，会发现银河系反倒在超光速远离它们了。
你有感觉到自己在宇宙中超光速翱翔吗？
你当然没有。
所以，遥不可及的星系相对于彼此的超光速退行，也要在距离足够远的前提下才能体现出来，一旦靠近就慢下来了。这种比较特殊的现象是均匀膨胀的物体或空间所具有的一种特殊性质，因此在所有均匀膨胀的物体上都有所体现，要说明这个问题，我所能想到的最好的道具就是尺子了。
注意：本文的重点——宇宙超光速膨胀的核心原因来了。
咱们试想有一把50毫米长的尺子由于某种超自然现象的影响，在1秒内"嘭"地膨胀了一倍，刻度仍然是50毫米，可实际长度变成了100毫米，就如下图酱紫。
此时，尺子上的所有刻度之间的距离都从原先的1毫米变成了2毫米。也就是说，任意刻度左右两侧的邻近刻度都向远处移动了1毫米。这意味着在尺子膨胀的过程中，每条刻度两侧的相邻刻度，都在以1毫米/1秒的速度“退行”。
倘若有一条规定是，任何刻度的移动速度都不能超过10毫米/秒，则无论我们以哪条刻度为视角去观察与之相邻的刻度，都会发现它们严格遵守着这个规定——因为它们这1秒的位移量全都只有1毫米嘛。
可问题是，尺子是从50毫米变成了100毫米啊，这意味着最左侧和最右侧的两条刻度，相对于彼此的位移量已经达到了50毫米，远远超过了10毫米/秒的限速……诡异么？
明明所有刻度都在以直线运动的方式彼此远离，然而相邻刻度之间的相对速度全都很慢，远距离刻度之间的相对速度却在成倍地提高，这就是物体在均匀膨胀的载体上，随着距离的增加而叠加出来的相对速度。
显而易见的是，这种相对速度尽管在宏观上体现出了实际影响，但本质上仍然只是低速运动因距离产生的叠加效果，因此同样会随着距离的缩短而逐渐丧失。
在宇宙膨胀的过程中，那些远距离的星系就是在这种效应下体现出超光速退行的，所以，我们在以银河系为参考的前提下，可以理解为宇宙是在超光速膨胀，或者说距离非常遥远的星系在超光速远离地球，但绝不能因此而认为那些星系真的在超光速运动。
其实在尺子的例子中，若我们再仔细一些，将某条刻度视为观察者，去分析其他刻度的退行速度，还能找到一个特定规律——尺子膨胀之前距离观察者1毫米的刻度，在尺子膨胀后向远处位移了1毫米；距离观察者2毫米的刻度则位移了2毫米；距离观察者3毫米的刻度位移了3毫米……以此类推。
据此规律，我们便可以说相对于任意刻度，其他刻度的移动速度与距离成正比。甚至可以将其表达为一个常数：1mm/s/mm，意思是尺子的膨胀率为1毫米/秒/毫米，表示刻度与观察者之间的距离每增加1毫米，每秒相对于观察者的退行速度就加快1毫米。
咱们的宇宙也具有一个类似的膨胀率，是以哈勃常数来描述的，它的值在50km/S/Mpc—90km/S/Mpc之间，目前被广泛认可的值是71km/S/Mpc。
Mpc（百万秒差距）是天文学使用的一种距离单位，1Mpc约合326万光年。71km/S/Mpc的意思就是：星系与观察者之间的距离每增加326万光年，每秒相对于观察者的退行速度就会加快71公里。
看明白了吗？哈勃常数所蕴含的核心思想就是，宇宙的膨胀速度为71公里/秒/326万光年——这才是所有星系真正的退行速度，远远低于30万公里/秒/不管多远的光速。
但是，由于空间在均匀膨胀，星系与星系之间存在退行速度与距离成正比的现象，因此，当两个星系的距离足够遥远时，它们的相对退行速度就大于30万公里/秒了，而这种超光速同样只能体现在计算结果中，并非真正意义上的超光速运动。
实际上，也正是由于哈勃常数表明银河系外的所有星系，均体现出了退行速度与距离成正比的规律，天文学家们才大胆地作出了宇宙在均匀膨胀的假定，而不认为是星系本身在向远处运动。毕竟，亿万星系自身在空间中运动，却步调一致地在速度和距离上体现出特定规律，如此巧合实在有是让人难以置信。
这就好比你是一只微生物，生活在尺子的某条刻度中，你看不见尺子的边界，但能发现两侧的所有刻度都在逐渐远离你，且移动速度与距离成正比，那么更合理的猜测当然是整条尺子在均匀膨胀，而不是刻度本身在向外移动了——最后这张动图或许能让你深刻理解这一点。
