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宇宙以什么速度膨胀,它能比光速快吗?

宇宙以什么速度膨胀,它能比光速快吗?其实这两个问题在提出的形式上实际上都没有意义。为了解释其中的原因,让我们从如何知道宇宙正在膨胀开始。

宇宙的膨胀最初是由哈勃发现的,他发现星系的红移与它们与我们的距离成正比。为了简单起见,让我们先来考虑一下,如果我们不知道相对论,我们将如何解释这一点,这样速度和距离就可以像我们在牛顿力学中所期望的那样被定义。

比如说,0.037%的红移表明一个星系正以几乎正好是光速0.037%的速度远离我们。因此,哈勃的观测意味着v=hd,其中v是两个星系的相对速度,H是一个对所有星系都相同的数字,也就是哈勃常数,d是两个星系之间的距离。在任何给定的时间间隔内,所有星系间距离都以相同的比例因子增加。

例如,当一块金属因为加热而膨胀时,就会发生这种情况。当一块金属膨胀时,我们不能用以米每秒为单位的速度来描述它的整体膨胀。只有当我们首先指定金属中的哪两个原子时,才能定义速度。如果我们选择一对不同的原子,速度会有所不同。出于类似的原因,询问宇宙的“膨胀速度”是没有意义的。不是一个速度,而是很多速度。

现在假设我们把注意力集中在两个特定的星系上。它们会以大于c的速度彼此后退吗?这个问题需要相对性。广义相对论没有一个唯一定义的方式来讨论星系A相对于星系B的速度,如果它们在宇宙学上彼此相距的话。如果我们愿意,我们可以口头描述这种情况,说两个星系都是静止的,但它们之间的空间正在扩大。如果我们愿意,我们可以使用某些距离和时间的度量,并口头描述A和B以距离的变化除以时间的变化所得的速率彼此相对移动。

事实上,广义相对论允许我们为A相对于B的速度赋予任何我们喜欢的值,它根本不是一个定义明确的东西。因此,担心这样的速度是否大于c是没有意义的,因为在广义相对论中对遥远物体的相对速度没有很好的定义,所以广义相对论中对v>c的禁止也没有办法延伸到遥远的物体上。

这项禁令是地方性的。在局部上,广义相对论与狭义相对论是一样的。你有时可能会看到宇宙膨胀导致宇宙比c膨胀得更快的说法,或者说可观测到的宇宙的边缘出现在哈勃定律给出的速度等于c的地方。第一种说法是不正确的,因为宇宙的膨胀不能用单一的速度来测量。第二种说法充其量是过于简单化,因为广义相对论没有很好地定义远处物体的相对速度。

对于速度的一个相当自然的定义是,我们观察到有些星系现在并且一直以大于 c 的速度远离我们。