138亿岁的宇宙，可观测直径930亿光年，这与光速极限原则矛盾吗？

在一些科普文章中，人们常常看到，宇宙年龄138亿岁，却有930亿光年的可观测直径。于是很多网友质疑，这是怎么回事呢？

其实简单的回答，就是宇宙膨胀速度超过光速。但很多科普文章又强调，光速每秒约30万千米，是宇宙中最高速度，任何物体不得超越。这样有人就更疑惑了，这岂不矛盾吗？难道科学可以翻手为云覆手为雨，随意乱点鸳鸯谱？

为了帮助大家弄清楚这个问题，我们一起从宇宙诞生和成长说起。

大爆炸宇宙模型是当前科学界公认的标准模型。大爆炸宇宙模型认为，在约138亿年前，宇宙从大爆炸中诞生了。所谓宇宙诞生就是时空物质的诞生，在这之前是没有时空物质的。不要老幻想着宇宙大爆炸之前是个什么样子，这是一个无解的问题，因为人类目前只能够解释三维空间的问题。

简单的说所谓三维空间就是有长宽高三个维度以及一维时间轴的世界，综合起来就叫四维时空。迄今为止，人类的所有理论都是认识和解释四维时空事物的，超出了这个时空，人类就无法认识，因此宇宙大爆炸起始于奇点，人类的认识就到那个奇点为止。

奇点就是被认为时空合并或者消亡的地方，没有时空的地方绝对不是我们世界的东西，因此无法解释。不过现代兴起的量子力学试着采用量子涨落来解释宇宙诞生之前的情况，认为时空诞生于某种超时空，也就是所谓的量子真空，是在与海森堡不确定性原理相符的量子能量随机涨落中诞生。这只是猜想，我们这里不深入讨论。

大爆炸宇宙模型对爆炸暴涨期描述。大爆炸宇宙论已经是现代宇宙学和天文物理学的标准模型，得到了科学界最广泛的认同。这个理论认为，人类认识宇宙的时间从普朗克时间开始，普朗克时间为10^-43秒，也就是1000亿亿亿亿亿分之一秒开始。理论认为那个时间的宇宙空间只有10^35米，就是1000亿亿亿分之一米；温度约10^32度，就是1亿亿亿亿度。

当宇宙大爆炸时间到了10^-35秒时，宇宙经历了第一次暴涨。这个暴涨仅持续了10^-33秒，这一瞬间，宇宙经历了100次加倍，即2^100次加倍，得到的尺度是先前尺度的10^30倍，也就是增长了100万亿亿亿倍。这时候的宇宙有多大呢？没有具体数据，我们只知道普朗克时间普朗克尺度，但不知道大爆炸后10^-35秒时暴涨前的大小。

假定这个时候的宇宙已经从普朗克尺度达到了1cm的话，增长了100万亿亿亿倍后的宇宙就已经有10570亿光年。这样看来暴涨前的宇宙很显然没有1厘米，顶多只有微米级。如果暴涨前的尺度为1um，经过10^-35秒的暴涨就达到了1亿多光年，这个速度有多快？是光速的10^43倍。

因此宇宙膨胀暴涨期显然比光速要快多了，而且快了几十个数量级。

现在确定宇宙膨胀速率的方法是测量哈勃常数。所谓哈勃常数就是测量距离我们Mpc距离星系离开我们的速度，Mpc是百万秒差距的缩写，秒差距是建立在三角视差基础上的天文长度单位，1个秒差距（pc）约3.26光年，Mpc就是约326万光年。

上百年来，科学家们通过各种方式测量哈勃常数，取得的结果都有一定差异。近期几次相对精确一些的测量结果为：2006年8月，马歇尔太空飞行中心研究团队利用NASA钱卓X射线天文台测得的数值为77km/s·Mpc，正负误差约15%；2009年5月7日，NASA根据la超新星爆发测得数值为74.2km/s·Mpc，正负误差在5%以内；2013年3月21日，欧空局宣布通过普朗克卫星测得值为67.8km/s·Mpc，正负误差约1%；2019年9月，德国科学团队利用引力透镜效应计算值为82.4km/s·Mpc。

这些误差很可能由于测量方法的不同导致，或许还没有找到一个更统一精确的方法。但我们不妨可以作为参考来计算一下宇宙膨胀速度。

根据哈勃常数得出的现在宇宙整体膨胀速度。计算宇宙膨胀速度的方法适用哈勃定律，这是美国天文学家埃德温·哈勃在上世纪20年代发现宇宙膨胀现象时创立的一个理论。他发现宇宙膨胀呈现出各向同性，与距离成正比例线性关系的规律，就是距离越近，星系离开我们的速度越慢，距离越远离开的速度越快。因此，通过测得的哈勃常数，就能够计算出宇宙膨胀速度。

哈勃定律表达式为：V=HxD

这里，V表示天体远离速率，单位km/s；H表示哈勃常数，单位km/s·Mpc；D表示相对地球的距离，单位Mpc。

上面已经测得的哈勃常数，既然不统一，我们取一个4次平均值，为75.35km/s·Mpc。就是说在距离我们Mpc（326万光年）的地方，星系离开我们的速度为每秒75.35km。

现在科学界认为我们宇宙可观测范围约465亿光年，那么在距离我们465亿光年的地方，星系离开我们的速度有多快呢？我们将数据代入公式就可以计算出来。

V=75.35x(46500000000/3260000)=75.35x14263.8≈1074777km/s

得到的计算结果是，现在宇宙膨胀速度达到光速3.58倍以上。

哈勃常数是一个非常重要的数据，可以通过这个速度大小，计算出宇宙的年龄，速度越大，说明宇宙越年轻。因此把这个数值弄精确，对宇宙的过去未来研究具有十分重要的意义。

有人要由此提出疑问了，不是说我们世界的最高速度是光速，任何物体运动速度都不能大于光速吗？是的，这是爱因斯坦狭义相对论得出的结论。这个结论已经经历了100年无数次的质疑和检验，观测事实和实验结果都证明了这个结论的颠扑不破。

光速不可突破受质速关系公式限制。原来宇宙膨胀是空间本身的膨胀，并不是物质运动速度，因此它不受光速藩篱的约束。

爱因斯坦相对论要求物质运动速度不能大于光速，理论依据是质增效应，是指凡有质量的物体速度越快，其动量就越大，达到光速动量就会无穷大。要知道，宇宙质量也是有限的而非无穷的，一个运动着的粒子达到了动量无穷大，岂不把宇宙毁灭了？

光速限制适用于质速关系公式，表述为：M=m/√[1-（v/c）^2]

其中M为物质的运动质量，m为物质的静质量，v为运动速度，c为光速。通过这个公式，我们可以计算出任意速度的质增效应。随着有静质量物体无限接近光速，我们可以计算出动量趋于无穷大，一个质子也会如此。当物体运动达到光速时本题无解，因此是不可实现的。

既然如此，为什么宇宙膨胀可以超越光速呢？这是因为宇宙膨胀是时空本身的膨胀，并非有质量物体的运动，所以不受上述公式限制。现在天文物理学前沿理论认为，宇宙膨胀受暗能量推动，而星系结构依靠暗物质引力维持。这是另一个话题，在此不深入讨论。

从上述介绍我们可以看出，宇宙膨胀速度是叠加计算的，是整体叠加起来整个宇宙膨胀才超过光速。较近的物体之间分离的速度并不快，比如在距离我们326万光年的地方，星系离开我们的速度才75.35km/s，与光速完全不是一个量级。

根据哈勃定律计算，在更近距离宇宙膨胀的速率就更慢了，1光年的地方慢到2.3cm/s，有兴趣的朋友可以自己演算。而且在近距离，引力效应起到了更大的作用，一些星系还会由于引力作用相互靠拢，比如银河系和仙女座星系，虽然相隔254万光年，但由于巨大引力相互吸引，正在以每秒300多公里的速度靠近，在未来40亿年内，两个星系会发生碰撞和融合。

这就不是本文谈论的话题了，就此打住。

这就是宇宙年龄才138亿岁，却有930亿光年可观测直径的原因。实际上宇宙不光有可观测范围，还有不可观测范围，这个范围有多大，因为无法观测，目前还没有任何人能够给出一个数据，很可能不可观测范围还远远大于可观测范围呢。

就是这样，欢迎讨论，感谢阅读。

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