宇宙膨胀超光速的理由与求知（上）

　　宇宙膨胀的速度可能超过光速吗？爱因斯坦创立的最著名的基本定律之一与光速相关，在宇宙中没有任何一个物体的运动速度比真空中的光速更快。某人＂化身＂为一个无质量的粒子，此人的飞行速度可以达到光速，然而，某人难免有非零的质量，光速飞行只是不可实现的梦想，某人的飞行不能达到光速，无论在某人的身上注入多少能量，这都将无济于事。
　　有一种更让人惊奇和反直觉感受的情形，假如一个以接近光速运动的粒子超过了另一个以接近光速运动的粒子，那么它的运动速度不可能达到光速的两倍，它的运动速度事实上仍然达不到光的速度，但光速恒定的法则严格地适用于同一时空区域、不同位置的粒子。一个膨胀宇宙的法则在总体上弯曲的时空将有非常不同的表现，这依赖于人们怎样使用空间的视角，宇宙本身的膨胀完全不会受到光速的限制。
　　宇宙的膨胀速度怎样可能超越光速？首先讨论一下光速问题，准确理解光速的含义。无论某人是谁，在什么地方，飞行的速度多么快，此人的空间运动速度都有绝对的限制，人们可能理所当然地认为，只要消耗了越来越多的能量，某人将会飞行得越来越快，这样的真理性仅在某一数值上有效，假如某人每小时仅走出了几米、几公里、甚至达到了每秒几公里，好像地球绕太阳转动的速度，某人不会注意速度的限制，想当然地认为自己可以无限的速度飞行，这类速度通常有一个时间不变性的前提，但时空的转化非常巧妙，在空间的穿越速度越快，在时间的穿越速度越慢。
　　设想一个＂地球故事＂的画面，你在地球的表面一动不动或处于完全静止的状态，你有一个和你一起静养的朋友，两人躺在草地上动也不动，然后，你的朋友登上了一架环游地球的喷气式飞机，在你和朋友分别之前，两人仔细核对了钟表，两个同步移动钟表的准确率都达到了微秒级，两个足够灵敏的计时器用于对时。
　　当你的朋友结束环球之旅时回到你的身边，奇异的现象发生了，你的钟表只是轻微地跳出了两个钟表的同步移动状态，或你的钟表仅比朋友的钟表稍微快了一点时间，或许只快了几十微秒，但微小的时间之差对精确的测量而言已足够说明问题，证明了你和朋友有过一段分离的日子。朋友搭乘飞行器的速度越快，在返回对时时，两人之间经历的时间之差就会越加明显。
　　在国际空间站＂飘忽不定＂的宇航员仅用90分钟时间就会绕地球＂风驰电掣＂地转一圈，当宇航员返回地球时，他们显示的钟表时间就会慢几秒，当使用通常的计时器时，人们很难注意到几秒的时间之差，人们难以理解奇异的时间延迟现象，钟表在高速运动时出现了时间的变化，时间本身的特性与物体运动的速度有关。
　　时间本身出现了流逝的速率，它不再是人们习以为常的均匀流逝，时间好像人们的生活节奏，有时快点，有时慢点。钟表指针事实上在高速运动的场合移动得更慢，这仅是一个例证，人们可在更广阔的背景上检测时间和空间的关联，在空间参数的快速运动意味着物体在时间参数的慢速运动。光速给定了时间和空间的连接，当人们以接近光速运动时，时间的流逝逐渐变慢，甚至接近零。
　　μ介子的半衰期仅有两微秒，不稳定的粒子为何从大气层的顶部穿越到地球？μ介子以非常接近光速穿越大气层，它们＂一路畅通＂地抵达地球表面，掐着指头算一算，从大气层顶端到地球表面大约为100公里，μ介子以每秒30万公里的光速穿越大气层，穿行的时间仅为 2.2微秒，μ介子将在穿越大气层尺度的0.6%之处发生衰变，μ介子似乎不能抵达地球表面。
　　人们伸个懒腰，手心向上向外伸展，每秒大约有一个μ介子从他们的手心穿过。μ介子以光速穿越了地球大气层，只能说明它们的穿行时间变慢了，μ介子在正常的时间到不了地球表面，时间延长之后，μ介子到达了地球表面，相对论效应造成了时间的延迟，地球大气层的＂μ介子实验＂验证了相对论原理。
　　如何解释宇宙的膨胀？人们瞭望某个星系时，根据哈勃定律的判断，星系离我们地球的距离越远，显示的退行速度就会越快，室女座星系团的星系距离地球大约有5千万到6千万光年，相对于地球的退行速度平均为每秒1200公里。后发座星系团的星系距离地球大约有3.3亿光年，相对于地球的退行速度平均为每秒7000公里。人们瞭望的星空越远，其中的星系和星系团显示的退行速度就会越快。
　　确实出现了每秒数百公里到每秒数千公里的＂变化值＂，这主要是由于本地星团的运动和引力的拖动效应带来的，但在最大的尺度、最大的距离上可以清楚地发现，人们观测的距离越远，遥远星系和星系团在远离他们的观测方向上退行的速度就会越快，星系退行的观测结果首先是由天文学家埃德温·哈勃在上个世纪的20年代获得的，＂哈勃定律＂源自于经验的观测，正是哈勃定律揭示了宇宙的膨胀，现代天文学的基础是由哈勃奠定的。
　　（编译：2016-6-13）
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