超越光速的空间旅行

光速通常被称为是宇宙中的速度极限……不过并非一切都遵守这个规则。实际上，空间自身膨胀的速度就有可能比光子旅行的速度还要快。

宇宙学家都是聪明的时间旅行者。这些科学家能够回望数十亿年，来寻找我们宇宙演化的细节。138亿年前，宇宙大爆炸发生了。在不到一秒的极小一段时间之后，初生的宇宙发生了“暴胀”，这是一个宇宙呈几何级扩张的极短时期。随后又在经历了极其漫长的时间后，我们的宇宙生长得如此巨大，以至于我们再也无法看见它的另一边。

这是为什么？如果光速是宇宙速度的极限，那么我们为何就永远也无法接触到来自那些时空区域的光子？如果确实如此，那么我们又是如何获知它们的存在的？

膨胀的宇宙

和物理学中的其他一样，我们的宇宙会尽可能地保持最低能量状态。但是在大爆炸后的大约10-36秒，暴胀理论宇宙学家相信，宇宙存在于“伪真空能量”——一种并不真实的能量低谷中。为了达到真正的真空能量低谷，宇宙在极短的瞬间内，像气球那样膨胀了1050倍。

自那时起，宇宙一直在膨胀，但速度大大放慢。我们从来自遥远天体的光线中可以看到膨胀的证据。来自恒星或星系的光子在穿越宇宙时，正在膨胀的空间会导致其能量丢失。这些光子在到达我们这里时，它们的波长会出现相应的红移。

红移的两种成因：多普勒和宇宙膨胀；借鉴自Koupelis & Kuhn。下图：探测器捕捉到了来自一颗恒星的光。光因空间的膨胀而被拉伸，产生了红移。来源：Brews Ohare。

这就是宇宙学家说红移是空间和时间双重距离效应的原因。来自这些遥远天体的光行进得如此长久，以至于我们最终看到的天体是它们数十亿年前的样子。

哈勃体积

红移了的光能让我们看到诸如星系之类的天体在遥远过去时的样子；但是我们没有办法看到宇宙历史上发生的所有事件。因为宇宙在膨胀，来自某些天体的光仅仅因为这个天体过于遥远，便使我们永远也无法看到。

在物理学上，这个边界与一个围绕在我们四周的名为“哈勃体积”的时空区域有部分关联。在地球上，我们通过测算“哈勃参数（H0）”来定义哈勃体积，这个参数的值反映的是遥远天体因红移而表现出的退缩速度。对这一参数的首次计算是在1929年，当时埃德温·哈勃发现遥远的星系都好像在以与它们光线的红移成比例的速率远离我们而去。

红移速度符合哈勃定律。来源：Brews Ohare。

将光速除以H0，得到的就是哈勃体积。在这个球状气泡包含的区域内，所有天体远离中心的速度都低于光速。与之相应的是，所有哈勃体积之外的天体远离其中心的速度都比光速快。

是的，“比光速快。”这怎么可能？

相对论魔法

答案与狭义相对论和广义相对论的差异有关。狭义相对论依赖“惯性参考系”——简单说就是一个背景。根据这个理论，光速在所有惯性参考系上都是相同的。不管观测者是静坐在地球公园的长凳上，还是驾驶先进的高速火箭从海王星旁经过，光速都是相同的。光子离开观测者的速度一直都是每秒30万千米，而且他或者她永远也无法赶上。

而广义相对论对时空基本结构有自己的一套解释。这个理论中没有惯性参考系。时空自身之外的一切不会膨胀，因此光速作为一种对其速度的限制并不适用。是的，哈勃球体之外的星系远离我们的速度将超过光速。但是这些星系自身不会打破任何宇宙速度限制。对于身处这些星系中的观测者来说，没有任何违背狭义相对论的情况出现。急速增长并呈几何级拉伸的，是我们与这些星系间的空间。

可观测宇宙

现在讲下一个令人吃惊的事实：哈勃体积与可观测宇宙并不完全是一回事。

要理解这个概念，可以这样思考：随着宇宙变老，遥远的光线需要用更多的时间才能到达地球。我们能够看到那些已经加速超越了当前哈勃体积的天体，因为当它们发出这些光时，它们还在哈勃体积之内。

严格说起来，我们的可观测宇宙与所谓的“粒子视界”是一致的。粒子视界所界定的，是此刻我们所能看到的最遥远的光的距离——这些光子有足够的时间停留在哈勃体积之内，或者能够赶上这个缓慢膨胀的哈勃体积。

这个距离有多远？大概是460亿光年，在所有方向上都一样——因此我们的可观测宇宙直径大约是930亿光年，约合5000亿万亿英里。

可观测宇宙，更技术一点的名称是粒子视界。

顺便提一下，粒子视界与宇宙学视界不是一回事。粒子视界内包含的是我们当前所能看到的所有过去事件。宇宙学视界是从另一方面定义了未来的观测者所能够看到的来自我们当下所在时空区域所发出的光的距离。

换句话说，粒子视界关注的是我们今天能看到的来自过去天体的古代光线的距离；宇宙学视界关注的是我们当下光线在这个加速远离我们的宇宙中所能够到达最远区域的距离。

暗能量

由于宇宙的膨胀，即便我们等待无限长的时间，宇宙中有些区域的光也无法到达我们眼中，因此我们永远也看不到这些地方。但是那些刚好位于我们当下哈勃体积之外的地带呢？因为如果这个球体也是在膨胀的，那么我们是否能够看到那些位于边界处的天体呢？

这要看哪个区域膨胀得更快——是哈勃体积，还是那些刚好位于哈勃体积之外的宇宙。问题的答案取决于两个方面：1）H0是递增还是递减；2）宇宙的膨胀是加速还是减速。这两个比率是密切相关的，但它们是不同的。

事实上，宇宙学家认为，我们当下生活的宇宙，H0在递减；但是由于暗能量的存在，宇宙膨胀的速度是递增的。

听起来很反常，但是只要H0递减的速率比宇宙膨胀递增的速率慢，星系总体上就会加速远离我们而去。宇宙学家相信，在当下这个时刻，宇宙膨胀的速度将超过哈勃体积增长的速度。

因此即便哈勃体积在扩大，暗能量的影响也为可观测宇宙的增长设置了一个硬性限制。

尘世的局限

看起来宇宙学家们已经很好地理解了一些深层次的问题，如我们的可观测宇宙有一天看起来会是怎样，以及宇宙的膨胀会发生如何的变化。但是归根结底，科学家用理论回答针对未来的问题，只能基于当下对宇宙的了解。宇宙的时间尺度之大难以想象，宇宙在未来会如何表现很难说。当下的理论模型完美地符合了当下我们所拥有的数据，但是事实上我们没有人能够活得足够长来验证结果是否真的和我们的预言相符。

失望？确实。但是努力让我们弱小的大脑考虑这种烧脑的科学在总体上还是值得的——现实往往比科幻还要奇特。

Vanessa Janek
老孙译

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