大妈聊事|为什么星系超光速退行不会违背相对论？
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宇宙中存在着大量的星系 ， 我们能观测到的数量估计为2万亿个 。 最近的河外星系离银河系只有几万光年 ， 最远的河外星系位于上百亿光年之外 。 在这些星系中， 它们的光谱大都显示出红移 ， 而且距离越远红移值越大 。 这意味着河外星系都在远去 ， 而且距离越远 ， 远离速度越快 。
如果河外星系离银河系足够远 ， 它们的退行速度甚至可以超过光速 。 然而 ， 爱因斯坦的相对论又指出 ， 任何速度都不可能超过光速 。 那么 ， 星系的退行速度是如何超光速的呢？为什么这样的超光速又没有与相对论相违背呢？
狭义相对论：光速如何不可超越？
相对论是大家喜欢谈论的一个话题 ， 但这个理论很容易被误解 。 宇宙中确实存一个终极速度 ， 那就是真空光速c 。 而且一旦物体有静止质量 ， 光速都不可能达到 ， 更不用说超光速 ， 只有静止质量为零的东西才能以光速运动 。
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需要注意的是 ， 我们通常在谈论速度时 ， 都是指物体相对于局域静止空间的速度 。 但如果两个物体处于不同的空间坐标 ， 在谈论速度时就需要注意一个关键的因素——时空本身的曲率和演化 ， 这是广义相对论所讨论的范畴 。
狭义相对论的适用范围是静态且没有曲率的平坦空间 ， 但在现实中 ， 宇宙中充满了物质和能量 。 在物质和能量存在的情况下 ， 时空结构会随着随时间而变化 ， 导致空间位置发生了变化 。
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在诸如恒星这样的大质量天体周围 ， 空间会被弯曲 ， 处在这种弯曲空间中的物体就会加速靠近该大质量天体 ， 从而表现出引力效应 ， 这就是广义相对论对引力的解释 。 即使物体没有相对于空间结构本身存在运动 ， 它也会随着空间结构的变化而发生运动 。 空间就像一条传送带 ， 即便传送带上的物体是不动的 ， 但运动的传送带会带着上面的物体一起运动 。
广义相对论：星系可以超光速退行根据广义相对论 ， 在一个各向同性且均匀的宇宙中 ， 时空想要保持静态是不可能的 ， 宇宙要么在坍缩 ， 要么在膨胀 。 但爱因斯坦一开始不允许这样的事情发生 ， 他在这个理论中引入了宇宙学常数 ， 以维持时空静态 。
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在20世纪20年代 ， 哈勃对星系的光谱做了详尽研究 。 结果发现 ， 宇宙中的星系并不是一半蓝移一半红移 ， 而是几乎都在红移 ， 只有银河系附近的少数星系出现蓝移 ， 这表明星系基本上都在远离银河系 。
根据多普勒效应 ， 光源在逐渐远离而去时 ， 光的波长会变长 ， 这会导致出现红移 。 不过 ， 星系的红移并非是狭义相对论的那种局域运动引起的 ， 因为还有一个更重要的规律 ， 这会让星系以超光速退行 。
哈勃定律星系不仅大都在退行 ， 而去退行速度（v）还会随着距离（D）的增加而线性增加 ， 这个关系如今被称为哈勃定律 ， 比例系数被称为哈勃常数（H0） 。
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唯一能够解释哈勃定律的事实是空间自身正在膨胀 。 如果把气球表面比作空间结构 ， 气球上的点比作空间中的星系 。 那么 ， 当气球膨胀时 ， 气球上的点就会随之被互相推开 。 无论从哪个点看来 ， 其他点都在退行 ， 而且距离越远的点退行速度越快 。 因此 ， 只要距离足够远 ， 星系之间的空间在单位时间内膨胀足够多 ， 就会导致星系之间以超光速退行 。
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