你覺不覺得，科學(xué)家有時候挺不講武德？
譬如他們說光速是宇宙的極限速度，任何超光速運動都是不被物理規(guī)則所允許的，倘若某個物體的運動速度超過30萬公里/秒，則它只能存在于那些不嚴(yán)謹(jǐn)對待物理知識的軟科幻故事中。
然而另一方面，他們又說宇宙曾是一個無限致密的奇點，體積無限接近于零，直到138億年前，由于某種原因'嘭'地一下炸開了花，并膨脹至今，才有了我們今天所見到的這個直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過930億光年的巨大空間。
如果你擁有小學(xué)二年級以上的數(shù)學(xué)水平，就會發(fā)現(xiàn)這其中似乎出現(xiàn)了一點問題：既然光速無法超越，那宇宙從一個奇點開始，以光速膨脹138億年，最多能長成一個半徑138億光年的大圓球，直徑怎么就超過930億光年了呢？
居然存在如此致命的矛盾，難道科學(xué)家的智力水平就這么差？
這當(dāng)然不可能，他們是人類當(dāng)中頭腦最聰慧，學(xué)識最淵博的群體，絕不會犯下如此低級的錯誤，那么，問題究竟出在哪兒嘞？
我想，這事兒可能已經(jīng)成了你多年的疑惑，所以，咱們今兒個就來把光速究竟能否超越，宇宙又是如何超光速膨脹的這兩個問題，撩它個底兒褲朝天。
他說的，你信嗎？
不管你信不信，我今天偏要冒《相對論》之大不韙，教你如何利用一個唾手可得的工具——你自己的雙腿，親自制造出一起超光速事件，保證童叟無欺。
我想，在知識普及程度極高的今天，應(yīng)該沒有多少人會懷疑或否定'運動與速度都是相對的'這個理論了吧。
假如你吃著火鍋唱著歌，帶著老婆開著車以60公里的時速在路上行駛，而我開著另一輛時速60公里的車朝你迎面沖來，就問你躲不躲？
不管你躲不躲，你都不能否認(rèn)相對于你而言，我是以120公里的時速沖向你的，除非你不講武德。
根據(jù)這個規(guī)律，咱們就可以推斷出，假如你騎著二踢腳上了天，以60%光速在太空中飛行，而我騎著另一支二踢腳以60%光速迎面沖向你，咱兩的相對速度就達(dá)到了120%光速。
看，這不就制造出了超光速現(xiàn)象嗎，超光速并沒有多難，不是么。
啊呸！如果這樣都能超過光速，那愛因斯坦的智商跟你我有什么區(qū)別？
在面對上述情況時，經(jīng)典力學(xué)是根據(jù)伽利略變換下的速度合成公式w=u+v來計算相對速度的，這非常符合我們的一貫認(rèn)知，卻沖突于麥克斯韋方程組推導(dǎo)出的光速不變原理。因為光速不變就意味著兩束相向而行的光，相對于彼此的速度仍然為光速，而不是2倍光速。如果w=u+v，如何解釋光速+光速=光速呢？
為了解決這個矛盾，《論動體的電動力學(xué)》橫空出世了，愛因斯坦借以這篇論文向所有科學(xué)家宣布：你們這幫蠢蛋用小學(xué)加減運算去計算光速這么高級的東西，當(dāng)然要出問題，應(yīng)該這樣算才對嘛——
這是洛倫茲變換下的速度合成公式，與伽利略變換的最大區(qū)別在于引入了速度造成的時空膨脹效應(yīng)，倘若我們把90%光速，也即0.9c代入這個公式中計算，將得到如下結(jié)果：
看見了吧，甭說60%光速了，即使咱兩都騎著90%光速的二踢腳迎面沖向?qū)Ψ?，相對速度仍然只?9.4%光速，非但沒能超過，甚至沒有達(dá)到光速。
機智如我的你想必也看出來了，這個公式的大致形式就是用伽利略變換的結(jié)果去除以一個分母。在低速狀態(tài)下，譬如0.00000001%光速時，分母的值十分接近于1，則結(jié)果自然也就基本等于伽利略變換的計算結(jié)果了。
用這個算法來合成速度的好處是，低速物體的相對速度仍然符合我們的一貫認(rèn)知，而兩個相向而行的光速物體，相對速度也正好等于光速了。
這下麥克斯韋的在天之靈可算是得以安息了，可是……
其實原因很簡單，這個公式本來就是在光速不變的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出來的，有些類似于我根據(jù)w=5這個既定結(jié)果，推導(dǎo)出了w=(5+5)/2這個公式，得到結(jié)果能不是5么？
看到這里，你可能很想罵街：我去，這不就是個數(shù)學(xué)游戲嗎？數(shù)學(xué)好了不起??？
別說，數(shù)學(xué)好還真就了不起。因為牛掰格拉斯之處在于，洛倫茲變換不僅自洽于科學(xué)體系、在數(shù)學(xué)意義下完全成立，而且還與現(xiàn)實觀測十分吻合——這是科學(xué)家們反復(fù)通過各種觀測數(shù)據(jù)，及多項試驗進(jìn)行過驗證的，是經(jīng)受住了嚴(yán)酷拷問，哦不，嚴(yán)格考驗的。
咱們今兒個不去深究光速不變原理在現(xiàn)實中是如何驗證的，將來有機會再另出一期文章來討論這個問題。總而言之就是，洛倫茲變換的結(jié)果表明，我們是真的沒有任何辦法鼓搗出超光速現(xiàn)象了——除非你長了兩條腿。
你有兩條腿嗎？
你有。
所以，你其實完全能親自制造出超光速現(xiàn)象來，并且還不用騎什么二踢腳，唯一要做的就是在青城……emmm……山下~~白素貞……
不對，是清晨時分……
太陽剛冒出地平線時……
找個空曠的操場……
優(yōu)雅而不失風(fēng)度地……
追趕自己的尾巴。
屆時，整個世界都將在你眼中飛速旋轉(zhuǎn)，猶如你就是宇宙中最靚的仔。
而運動是相對的，在這個過程中，你可以認(rèn)為自己沒動，是山啊樹啊花啊草啊，或者電線桿子等外界景物在繞著你旋轉(zhuǎn)，就像下圖醬紫。
當(dāng)然，無論你的雙腿有多粗壯，你也不可能超光速奔跑，因此花花草草也好，電線桿子也罷，相對于你的速度統(tǒng)統(tǒng)都不可能超過光速。
可是你別忘了，在山的那邊海的那邊還懸掛著一顆紅彤彤的太陽嘞，它與你的距離長達(dá)149597870.7 公里，這意味著你在地球上發(fā)羊癲瘋時，相對于你而言，它一直在沿著一個半徑接近1.5億公里的圓形軌道圍著你愛的魔力轉(zhuǎn)圈圈。
這個軌道的半徑連光都要8分鐘才能跑完，而太陽卻能在以秒為單位的時間內(nèi)沿著軌道的周長一圈又一圈地轉(zhuǎn)個不停，問：太陽此時的相對速度比光速快多少倍？
我說了童叟無欺的，對么？這種方法真的能讓你輕松制造出一個超光速現(xiàn)象，缺陷是玩久了容易頭暈、惡心、嘔吐。
除外，我掐指一算就能想象出……
沒錯，這種超光速現(xiàn)象并沒有任何現(xiàn)實意義，但它卻很好地說明了一個問題：并非任何形式的相對速度都無法超過光速，相對論真正表達(dá)的思想是，任何攜帶了能量或信息的速度，都無法超過光速。
這是什么意思呢？
在直線運動狀態(tài)下，物體的相對速度達(dá)到多少，就會實實在在地攜帶多大的能量。
譬如兩輛時速均為60公里的汽車迎面撞擊時，彼此遭受的沖擊力等同于時速120公里的車輛迎面撞向靜止車輛時的沖擊力。也就是說，即便我的車速是60公里/小時，但只要我相對于你的速度是120公里/小時，我就能讓你體驗到時速120公里的撞擊有多酸爽。
除此之外，在直線運動狀態(tài)下，物體的相對速度達(dá)到多少，就能以多快的速度傳遞出信息。
譬如我想給你一耳光，而咱兩距離18米，但我們都以9米/秒的速度跑向?qū)Ψ?，則只需要1秒我的巴掌就呼在你臉上了。這一巴掌的傳遞速度，等同于它以18米/秒的速度飛向靜止物體的速度，所以叫'降龍18掌'。
結(jié)合上文提到的相對速度攜帶著相應(yīng)能量的例子，你可以想象一下這一掌的威力有多巨大。
再反觀你原地轉(zhuǎn)圈的情況，太陽相對于你的速度雖然大于光速，但它并未攜帶光速運動的物體應(yīng)有的能量。假如它與你的距離不斷縮小，最終撞在你的身上，沖擊力也就等于你'咚'地一下撞到了旁邊的電線桿子而已，不會讓你體驗到一個超光速太陽的無窮威力。
更何況它盡管在以N倍光速圍著你不停地跑圈圈，卻無法依靠這個速度在8分鐘以內(nèi)跑到你的跟前來撞你一下。換言之，它不具備超光速傳遞信息的能力。
由此可見，這種性質(zhì)的'超光速'，本質(zhì)上只是低速運動隨距離的增加而產(chǎn)生的一種疊加效果，只能體現(xiàn)在計算結(jié)果中，并不是真正的超光速運動，相對論壓根兒就不稀得搭理它。
這就是超光速與'超光速'之間的根本區(qū)別，理解這一點對理解宇宙為何能超光速膨脹至關(guān)重要。
實際上，類似的超光速現(xiàn)象還有許多，例如夜晚用一束激光快速掃過星空，光柱指向點的位移速度超過了光速；電磁波在出現(xiàn)異常色散的情況時，波的相速度有時也會超過光速。
再就是宇宙膨脹的過程中，距離銀河系十分遙遠(yuǎn)的星系，相對于地球的退行速度也同樣超過了光速，因此138億年就跑到距離地球465億光年以外的地方去了……
嗯？等等，好像又出問題了。
“星系退行”指的是其他星系與銀河系的距離在不斷變大，也就是它們相對于銀河系在不斷“倒退”，這……不就是……直線運動嗎？
我們已經(jīng)在“降龍18掌”的例子中見識到了，直線運動狀態(tài)下的相對速度是攜帶著相應(yīng)能量與信息傳遞能力的，正因如此，相對論才'明令禁止'這種相對速度超過光速。
從這一點來看，星系的退行速度大于光速顯然違反了相對論，從堅決弘揚科學(xué)精神的層面來說，愛因斯坦難道不該管管這幫龜孫兒么？就算做不到雖遠(yuǎn)必誅，至少也得開幾張超速罰單意思意思吧。
遺憾的是，假如誰真的帶著罰單跑到它們跟前去，就會發(fā)現(xiàn)它們根本沒超速，相反的，當(dāng)你驀然回首時，會發(fā)現(xiàn)銀河系反倒在超光速遠(yuǎn)離它們了。
你有感覺到自己在宇宙中超光速翱翔嗎？
你當(dāng)然沒有。
所以，遙不可及的星系相對于彼此的超光速退行，也要在距離足夠遠(yuǎn)的前提下才能體現(xiàn)出來，一旦靠近就慢下來了。這種比較特殊的現(xiàn)象是均勻膨脹的物體或空間所具有的一種特殊性質(zhì)，因此在所有均勻膨脹的物體上都有所體現(xiàn)，要說明這個問題，我所能想到的最好的道具就是尺子了。
咱們試想有一把50毫米長的尺子由于某種超自然現(xiàn)象的影響，在1秒內(nèi)'嘭'地膨脹了一倍，刻度仍然是50毫米，可實際長度變成了100毫米，就如下圖醬紫。
此時，尺子上的所有刻度之間的距離都從原先的1毫米變成了2毫米。也就是說，任意刻度左右兩側(cè)的鄰近刻度都向遠(yuǎn)處移動了1毫米。這意味著在尺子膨脹的過程中，每條刻度兩側(cè)的相鄰刻度，都在以1毫米/1秒的速度“退行”。
倘若有一條規(guī)定是，任何刻度的移動速度都不能超過10毫米/秒，則無論我們以哪條刻度為視角去觀察與之相鄰的刻度，都會發(fā)現(xiàn)它們嚴(yán)格遵守著這個規(guī)定——因為它們這1秒的位移量全都只有1毫米嘛。
可問題是，尺子是從50毫米變成了100毫米啊，這意味著最左側(cè)和最右側(cè)的兩條刻度，相對于彼此的位移量已經(jīng)達(dá)到了50毫米，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了10毫米/秒的限速……詭異么？
明明所有刻度都在以直線運動的方式彼此遠(yuǎn)離，然而相鄰刻度之間的相對速度全都很慢，遠(yuǎn)距離刻度之間的相對速度卻在成倍地提高，這就是物體在均勻膨脹的載體上，隨著距離的增加而疊加出來的相對速度。
顯而易見的是，這種相對速度盡管在宏觀上體現(xiàn)出了實際影響，但本質(zhì)上仍然只是低速運動因距離產(chǎn)生的疊加效果，因此同樣會隨著距離的縮短而逐漸喪失。
在宇宙膨脹的過程中，那些遠(yuǎn)距離的星系就是在這種效應(yīng)下體現(xiàn)出超光速退行的，所以，我們在以銀河系為參考的前提下，可以理解為宇宙是在超光速膨脹，或者說距離非常遙遠(yuǎn)的星系在超光速遠(yuǎn)離地球，但絕不能因此而認(rèn)為那些星系真的在超光速運動。
其實在尺子的例子中，若我們再仔細(xì)一些，將某條刻度視為觀察者，去分析其他刻度的退行速度，還能找到一個特定規(guī)律——尺子膨脹之前距離觀察者1毫米的刻度，在尺子膨脹后向遠(yuǎn)處位移了1毫米；距離觀察者2毫米的刻度則位移了2毫米；距離觀察者3毫米的刻度位移了3毫米……以此類推。
據(jù)此規(guī)律，我們便可以說相對于任意刻度，其他刻度的移動速度與距離成正比。甚至可以將其表達(dá)為一個常數(shù)：1mm/s/mm，意思是尺子的膨脹率為1毫米/秒/毫米，表示刻度與觀察者之間的距離每增加1毫米，每秒相對于觀察者的退行速度就加快1毫米。
咱們的宇宙也具有一個類似的膨脹率，是以哈勃常數(shù)來描述的，它的值在50km/S/Mpc—90km/S/Mpc之間，目前被廣泛認(rèn)可的值是71km/S/Mpc。
Mpc（百萬秒差距）是天文學(xué)使用的一種距離單位，1Mpc約合326萬光年。71km/S/Mpc的意思就是：星系與觀察者之間的距離每增加326萬光年，每秒相對于觀察者的退行速度就會加快71公里。
看明白了嗎？哈勃常數(shù)所蘊含的核心思想就是，宇宙的膨脹速度為71公里/秒/326萬光年——這才是所有星系真正的退行速度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于30萬公里/秒/不管多遠(yuǎn)的光速。
但是，由于空間在均勻膨脹，星系與星系之間存在退行速度與距離成正比的現(xiàn)象，因此，當(dāng)兩個星系的距離足夠遙遠(yuǎn)時，它們的相對退行速度就大于30萬公里/秒了，而這種超光速同樣只能體現(xiàn)在計算結(jié)果中，并非真正意義上的超光速運動。
實際上，也正是由于哈勃常數(shù)表明銀河系外的所有星系，均體現(xiàn)出了退行速度與距離成正比的規(guī)律，天文學(xué)家們才大膽地作出了宇宙在均勻膨脹的假定，而不認(rèn)為是星系本身在向遠(yuǎn)處運動。畢竟，億萬星系自身在空間中運動，卻步調(diào)一致地在速度和距離上體現(xiàn)出特定規(guī)律，如此巧合實在有是讓人難以置信。
這就好比你是一只微生物，生活在尺子的某條刻度中，你看不見尺子的邊界，但能發(fā)現(xiàn)兩側(cè)的所有刻度都在逐漸遠(yuǎn)離你，且移動速度與距離成正比，那么更合理的猜測當(dāng)然是整條尺子在均勻膨脹，而不是刻度本身在向外移動了——最后這張動圖或許能讓你深刻理解這一點。
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