天文
宇宙膨胀并不会突破光速
宇宙膨胀并非以速度为单位，而是以速率为单位。本文解释了宇宙膨胀对红移的影响，以及如何计算远离我们的天体的移动速度。
膨胀宇宙的可视化历史包括被称为大爆炸的热的、致密的状态以及随后结构的生长和形成。
20 世纪最伟大的发现之一是，宇宙并非静态不变的背景，而是空间本身随着时间推移而膨胀。就像宇宙的织物本身正在被拉伸，以至于遥远的天体越来越远。除了本星系群以外，我们在各个方向和位置观测到的都是这种现象。然而，即使在近 100 年后，对于天文学和天体物理学家来说，宇宙膨胀仍然是一个令人困惑、违反直觉的现象。
人们自然会好奇，如果宇宙在膨胀，那么空间的膨胀速度有多快呢？这就是 Darren Bobley 想知道的问题，他问道：
“嗨！你能用简单易懂的语言帮我理解一下宇宙空间的膨胀速度与光速相比如何吗？(百万秒差距的概念对我来说太复杂了。)大概是光速的 2 倍？100 倍？等等。”
当我们思考某个东西在膨胀时，通常会想到速度的概念。如果我们愿意，也可以这样理解，但对于我们观察到的每个物体，答案都会不同。原因如下：
这个简化的动画显示了光的红移以及未绑定对象之间的距离如何在膨胀的宇宙中随时间变化。请注意，两个物体开始时的距离比光在它们之间传播的时间要近，光的红移是由于空间的膨胀，两个星系之间的距离比它们之间交换的光子所走的光的传播路径要远得多。膨胀的宇宙允许我们目前的宇宙视界之外高达150亿光年的星系最终变得可见，即使越来越少的星系变得可及。
任何可以通过天文学方法探测到的物体，我们实际上都在测量某种形式的能量，通常是来自该物体发出的或被其吸收的光。被加热到一定温度的物体，比如恒星，会辐射出特定光谱的亮光，该光谱涵盖一系列波长。由束缚于原子核的电子构成的物体，比如原子、离子或分子，只会发射和/或吸收特定波长的光，这些波长由允许发生的特定量子跃迁决定。
既然宇宙各处的物理定律都相同，这也适用于其他恒星和星系，那么可以推断，我们在实验室实验中观察到的原子和分子跃迁，在任何天文观测对象上也会以相同的方式出现。如果那里存在氢元素，你可能会期望看到与地球上相同的发射和/或吸收谱线出现在遥远天体的光谱中。
测试这一假设的一个合理起点是观察太阳，然后观察其他恒星(或恒星群)，看看它能有多好地支撑这一假设。
太阳的可见光光谱，这不仅有助于我们了解它的温度和电离，而且还有助于我们了解元素的丰度。这条又长又粗的线是氢和氦，但每隔一条线都来自一种重元素，这种重元素一定是在上一代星星中产生的，而不是在热的大爆炸中产生的。
当我们将来自太阳的光分解成组成它的不同波长时，我们就是在进行光谱学研究。我们可以很容易地看到许多不同元素的特征，并可以识别出特定跃迁产生的谱线，这些跃迁发生在原子核中质子数量不同的原子中。
现在，你需要意识到一个重要的事情：当我们观察宇宙中其他天体的吸收和/或发射特征时，它们是由与我们太阳和地球相同的元素构成的。它们拥有的原子以与我们已知的原子完全相同的物理规律吸收和发射光，因此，它们会发射和吸收与我们相互作用的原子相同的波长和频率的光。
但是，当我们观测来自宇宙中其他天体的光时，我们几乎从来没有看到过与实验室或太阳产生的光完全相同的波长和频率。相反，我们看到的谱线都彼此系统地偏移，具体偏移量取决于我们观测的物体。此外，属于特定天体的每个谱线在观测时都会完全相同地偏移相同的因子。
正如Vesto Slipher在20世纪10年代首次指出的那样，我们观察到的一些物体显示出吸收或发射特定原子，离子或分子的光谱特征，但系统地向光谱的红色或蓝色端移动。当与这些物体的距离测量相结合时，这些数据产生了膨胀宇宙的最初想法：星系越远，它的光在我们的眼睛和仪器上看起来就越红移。
有三个主要因素会导致这种偏移，原则上每个物体都可能经历这三个因素的影响：
1. 光源和吸收光线的位置之间存在引力势差。当物体向引力“坑”深处移动时，光会获得能量，并向较短波长偏移，即蓝移。当物体爬上引力“山丘”时，光会失去能量，并向较长波长偏移，即红移。这在广义相对论中得到了预言，因为空间的曲率不仅告诉物质如何运动，而且告诉光和所有形式的辐射如何偏移。
2. 还有源和观测者之间的相对运动，我们通常称之为多普勒效应。我们最常在声音上体验它。当发出声音的车辆(例如警车、冰淇淋卡车或低音爱好者的车)向你驶来时，你接收到的声音音调会更高。当它远离你时，声音的音调会更低。光和 所有形式的辐射也会发生同样的情况：如果源和观测者彼此靠近，观测者看到的灯会被蓝移，而如果它们相对远离，观测者看到的灯会被红移。
一个物体以接近光速的速度运动并发出光，它发出的光会根据观察者的位置而发生变化。左边的人会看到光源远离它，因此光会发生红移;右边的人会看到它发生蓝移，或者当光源向它移动时，它会移动到更高的频率。
3. 最后，还有宇宙膨胀的影响。当光穿过宇宙时，每个单独的光子(构成所有光的量子)都具有特定的波长，而该波长定义了光子的能量。如果宇宙膨胀，该光的波长也会被拉伸，导致红移；同样，如果宇宙收缩(这也是允许的，但这不是观察到的情况)，波长就会被压缩，导致蓝移。
如果你想知道宇宙如何膨胀，那么摆在你面前的任务很明确。你需要观察大量物体，在各个方向和不同距离上进行观察，并测量每个物体的累积红移(或蓝移)。然后，你需要尽你所能绘制宇宙地图，并利用这些信息来推断引力红移/蓝移的影响以及单个物体相对于你的运动影响。当你考虑到所有其他因素时，剩下的东西代表了宇宙膨胀的影响。
每当一个星系发光时，接收它的观察者最终看到的光将具有与第一次发射时不同的属性和波长，这是由于两个属性：光源与观察者的相对运动，以及发生在光源和观察者之间的宇宙膨胀。距离星系越远，观测到的红移就越大，观测到的时间膨胀也越大，因为观测者接收到的信号也会随着时间的推移而“拉长”。
那么，当我们精确地做到这一点时，我们会学到什么呢？以下是一些你可能感兴趣的事情：
* 对于附近的物体——在几千万光年内——局部运动的影响占主导地位。你无法通过只观察我们邻近物体的光来可靠地测量宇宙的膨胀。
* 引力结合在一起的物体，包括恒星、恒星系统、星团、球状星团、单个星系，甚至成群和星系团，不会受到宇宙膨胀的影响。
* 引力红移和蓝移，谢天谢地，是一种非常微不足道的影响，其幅度普遍远小于总测量值的 1%。
* 但在大的宇宙尺度上，这转化为相对较远距离的物体(距我们数百亿、数十亿甚至数十亿光年)，宇宙膨胀是唯一重要的影响。
这是测量宇宙随着宇宙时间演化如何膨胀的最佳方法：观察散布在整个宇宙中的所有这些物体，忽略最近的物体，并推断宇宙平均如何膨胀。
最初的1929年哈勃宇宙膨胀的观测，随后是更详细的，但也不确定的观测。哈勃的图清楚地显示了红移-距离关系，其数据比他的前辈和竞争者更上级;现代的同类数据要远得多。请注意，特殊的速度总是存在的，即使在很远的距离，但总的趋势是重要的。
早在 1923 年，埃德温·哈勃就测量了到我们自己的银河系以外的第一个星系的距离：仙女座星系。在接下来的几年里，他不仅测量了许多此类星系的距离，还将它们与之前的观测结果相结合，了解来自这些星系的光总体上是红移还是蓝移。根据他的初步数据，乔治·勒梅特于 1927 年发表了一篇论文，得出结论：宇宙正在膨胀，并首次测量了膨胀率。第二年，霍华德·罗伯逊独立地做了几乎完全相同的事情。但直到哈勃本人与他的助手米尔顿·赫马森于 1929 年发表他们的论文，更大的天文学界才开始关注这一突破性的结果。
这个故事中最重要部分不是他们测量到的具体值；最重要的是理解宇宙膨胀意味着什么。这意味着，对于宇宙中任何两个引力不相关的物体，它们之间的空间会随着时间的推移而膨胀。当其中一个位置的观察者看到另一个位置的物体时，他们会看到来自另一个位置的光在到达他们眼睛时似乎发生了红移。而且他们观测到的物体越远，光似乎发生的红移就越大。
许多不同种类的物体和测量被用来确定到物体的距离和它的表观后退速度之间的关系，我们从它的光相对于我们的相对红移推断出它的表观后退速度。正如你所看到的，从非常近的宇宙(左下)到超过100亿光年远的遥远位置(右上)，这种非常一致的红移距离关系继续保持。
当我们问“宇宙膨胀有多快？”时，我们实际上是在将一个红移原因转化为另一个红移原因。我们知道宇宙膨胀会导致红移；我们知道两个物体相互远离会导致红移。如果你想将宇宙膨胀转化为速度，那就是你必须做的：问问自己，“根据我因空间膨胀而测量的红移，基于源和观测者之间的相对退行速度，物体需要以多快的速度运动才能给出相同的红移值？”
有趣的是，答案取决于物体的距离。以下是一些例子：
* 对于距离我们 1 亿光年的物体，我们推断其退行速度为 2150 公里/秒。
* 对于距离我们 10 亿光年的物体，我们推断其退行速度为 21,500 公里/秒。
* 对于距离我们 50 亿光年的物体，我们推断其退行速度为 107,000 公里/秒。
* 对于距离我们 140 亿光年的物体 ，我们推断其退行速度为 300,000 公里/秒：几乎是光速。
* 对于距离我们 330 亿光年的物体，这是目前宇宙记录中最遥远的星系，我们推断其退行速度为 708,000 公里/秒：超过光速的两倍。
我们可以对任何距离的任何物体进行此计算，对于任何特定的距离，我们都会得到一个唯一的退行速度。
表观膨胀率(y轴)与距离(x轴)的关系图与过去膨胀得更快的宇宙相一致，但今天遥远的星系正在加速衰退。这是哈勃原始作品的现代版本，比哈勃原始作品延伸了数千倍。请注意，这些点并不形成一条直线，这表明膨胀率随时间的变化。宇宙遵循它所遵循的曲线这一事实表明了暗能量的存在和后期的主导地位。
这就是为什么我们通常不将宇宙膨胀描述为速度的原因。相反，我们将它描述为一个速率：单位距离的速度。对于每远离我们 326 万光年的物体，其光会因红移而额外增加约 70 公里/秒。出于历史原因，天文学家很少使用光年，而是更频繁地使用秒差距来表示距离，其中 1 秒差距大约等于 3.26 光年。当您听到术语“百万秒差距”时，缩写为 Mpc，请在脑海中将其翻译为“大约 325 万光年”。表达宇宙膨胀的最常见方式是公里/秒/百万秒差距或 km/s/Mpc。
今天，我们有多种不同的方法来测量宇宙膨胀，所有这些方法都给出了落在相对较窄范围内的结果：67 到 74 km/s/Mpc 之间。关于真实值是否位于该范围的高端或低端，以及是否存在一些新的物理现象导致不同方法似乎产生不同、相互矛盾的结果，存在很多争议。目前，世界上最好的科学家正在寻找更多、更好的数据来尝试更多地了解这个谜团。
我们可见宇宙的大小(黄色)，沿着的是如果我们今天以光速旅行，我们可以到达的数量(洋红色)。可见宇宙的极限是461亿光年，因为这是一个物体在距离我们138亿年后发出的光到达我们今天的极限。现在，在我们180亿光年半径范围内发生的任何事情最终都会到达并影响我们;任何超出这一点的事情都不会。每年，又有大约2000万颗恒星从可到达到不可到达。
这意味着，当我们将今天拥有的所有拼图碎片拼在一起时，就会发现离我们大约 140 亿光年的距离有一个特定的距离，宇宙的膨胀使物体以相当于光速的速度远离。在这个距离以内，物体以比光速慢的速度远离我们；更远的地方，它们以比光速更快的速度远离。实际上，这些物体根本没有以这样的速度穿过宇宙，而是受束缚的物体之间的空间在膨胀。对光的影响是等效的——它会被拉伸并以相同的量红移——但导致红移的物理现象是由于宇宙膨胀，而不是物体以光速穿过空间。
这个更具吸引力的方面之一是，膨胀率并非保持恒定，而是取决于宇宙的密度：随着宇宙的膨胀，它变得不那么密集，因此膨胀率会随着时间的推移下降。即使存在暗能量，一些目前以比光速更快速度远离我们的星系实际上在我们力所能及的范围内，即使我们的旅行速度受到光速的限制。如果我们足够早出发并足够快地旅行，距离我们 140 亿光年但不到 180 亿光年的星系仍然在我们掌握之中：包含的星系数量与我们 140 亿光年内包含的星系数量大致相同。宇宙并不是以特定的速度膨胀，但对于你观察到的任何物体，你都可以计算出它以多快的速度远离我们。您需要测量的是它现在实际的距离有多远。