宇宙在膨脹,距離越遠的星系或空間遠離我們的速度越快,那麼在足夠遠處是否有超過光速遠離我們的星系或空間?

如果有,那些區域對我們來說它還存在嗎?還算是在我們的宇宙中嗎?


這個問題毫無疑問地涉及到了相對論,這使我很為難。我的一篇回答(如果宇宙只剩下太陽這一顆恆星,那麼地球上的規律將會受到哪些影響呢,人類是否可以像和現在一樣生存下去? - 盧秩的回答)也直接引發了題主的這個疑問,我很抱歉,也很無奈。
在不使用數學的情況下,相比於量子理論,我更不願意講相對論。雖然這兩者作為現代理論物理的基石都是極其地反常識,但量子理論更多地是創造了一些常識之外的概念,接受了量子的概念之後,就能很大程度上理解那些「反常識」了;但相對論則恰恰是涉及到常識之中的基本概念,比如時空和速度。每個人都以為自己知道這些概念,但相對論卻對它們做了更加嚴格的區分和定義。所以,我盡量在少引入概念和複雜數學的情況下把這個故事講好(畢竟,這是物理系的一門課,我也就是一個求學者),並會隨大家反應進行修改。

第一章:基礎的狹義相對論
最常見的狹義相對論(Special relativity)表述有兩條假定(公理),其中一條即:光速對所有的慣性觀測者都是一樣的。而結合另一條公理(所有慣性參考系裡的物理定律都一樣),可以推出所有的能量傳遞速度上限是光速。
到這裡需要思考的問題是:這裡提到的「速度」,「慣性參考系」究竟是什麼?如果覺得自己知道答案,記住它們,往下看。

第二章:慣性參考系和速度
慣性參考系,就是(考慮一個4維)時空(Spacetime)S,其中無窮小兩點「距離」是
ds^2=-c^2dt^2+dx^2+dy^2+dz^2
其中dt, dx, dy, dz是兩點的坐標(實在對解釋坐標是什麼感到無能為力,大概就是常識理解的那樣)之差,這樣的空間被成為閔科夫斯基空間(Minkowski space,你需要記住這個名詞,簡稱閔氏空間)。一個慣性觀測者,就是相對於慣性坐標系,以恆定的 3-速度 運動的觀察者,這裡的3-速度,就是常識中的速度:空間距離除以時間距離
u=frac{sqrt{dx^2+dy^2+dz^2}}{dt}

注意:這裡的速度只能在慣性參考系中定義,狹義相對論中受到光速限制的速度即是這種速度。

第三章:宇宙的大尺度時空結構
觀測(主要是微波背景輻射)顯示,在我們所處的宇宙中,時空在大尺度上(大於一億光年,作為參考,銀河系可見物質直徑是十萬光年左右)是平直的。這裡的「平直」就按常識理解吧:在這樣的宇宙裡面,一個三角形的內角和是180度。
在描述整個宇宙的時空結構時,我們採取了這樣一種描述方法:宇宙的各個角落由一個相同的坐標系描述{r, 	heta, varphi},在某個時刻,把宇宙的各個地點的時間都調成一樣(關於這個問題有一些技術細節,請詢問專家)。於是整個宇宙就可以通過一套坐標系統來描述,其中任意兩點的間隔是(我已經考慮了宇宙的曲率是k=0
ds^2=-c^2dt^2+a^2(t)[dr^2+r^2(d	heta^2+sin^2	heta dvarphi^2)]
其中的a(t)被稱之為尺度因子(舉個例子:r 是尺子上的刻度,而a是刻度之間的實際距離)。讓問題簡單一點,我們只考慮它們之間的徑向距離,忽略中括弧里地後兩項。在這種結構下,在我們使用的坐標系中(我們站在坐標系原點觀察),時空中坐標為r的地點有一個天體,假設它本身沒有運動dot{r}=0),那麼這個天體與我們的3維空間距離(物理距離)是
D=a(t)r
這個距離隨時間的變化(即物理距離隨時間的變化率)是
dot{D}=dot{a}(t)r=[frac{dot{a}(t)}{a(t)}]a(t)r=[frac{dot{a}(t)}{a(t)}]D
然後,讓我們把dot{D}定義為「退行速度」,把dot{a}/{a}定義為哈勃常數,那麼讀者就會發現:這個天體「遠離我們的速度與它和我們之間的距離成正比」,即著名的哈勃定律
注意:這個速度不是我們在第二章定義的速度。按照第二章的定義,不能超越光速的「速度」必須是在慣性參考系裡測量的速度,但宇宙在大尺度上看起來完全不是閔氏空間(儘管局域很像),因而不可能讓地球和那個天體處於同一個慣性參考系,這個退行速度因此也是不受光速限制的。如果你一定要測量那顆天體的速度,那就到它身邊去,在它的局域範圍內,時空結構和閔氏空間基本相同,而你測量到的、真正的 3-速度則會是零。
物理是一門實驗科學,研究的是可觀測量(Observable)。那麼這個速度的觀測效果是什麼呢?是光譜的紅移(http://en.wikipedia.org/wiki/Redshift),這是一種宇宙學紅移,和物體實際運動造成多普勒紅移是不一樣的。而宇宙學紅移在一階近似下與退行速度是一樣的。因此,注重觀測的天文學家就會用另外一套語言(也是最初的方式)來描述哈勃定律:天體觀測的紅移與它們和地球之間的距離成正比。

第四章:「超光速」區域?
如果你已經讀到了這裡,相信已經理解:那些「超光速」的天體是看起來超光速,而非真正地以速度超越光速。那麼那些超光速的天體,對我們來說意味著什麼呢?

決定宇宙膨脹行為的參數最重要的就是尺度因子。在假設時空是平直的條件下,尺度因子的變化由愛因斯坦場方程決定:
(frac{dot{a}}{a})^2=frac{8pi G}{3}(
ho_M+
ho_{Lambda})
其中
ho_M代表尋常物質和暗物質的能量密度,它們與宇宙的尺度的三次方成反比,因而會隨著宇宙膨脹而減小;
ho_{Lambda}代表了暗能量的能量密度,根據觀測,它極有可能是個常值!於是,從遙遠的未來 t_0時刻起,宇宙的膨脹將完全由暗能量主導(作替換
ho_{Lambda}=Lambda/8pi G):
a(t) = a(t_0)exp[(t-t_0)sqrt{Lambda/3}]
宇宙將作指數膨脹(這在宇宙暴脹時期也存在過)!這種行為的時空結構,也被成為德西特空間(http://en.wikipedia.org/wiki/De_Sitter_space,你可以不用記住這種細節)。

考慮一個天體,位於第三章定義的坐標系的R處,因而與我們的距離是 d= a(t_0)R,它的退行速度就是
dot{d}=sqrt{frac{Lambda}{3}}d
假設退行速度已經等於光速c, 很容易就求得它的距離
d=csqrt{3/Lambda}
然後,讓外星人從那個天體上向地球發射一道光,過了時間T之後,我們接收到了它:
int_{t_0}^{t_o+T}frac{cdt}{exp[sqrt{Lambda/3}(t-t_0)]}=int_0^Ra(t_0)dx
化簡之後,得到該時間為無窮大
T=+infty
也就是說,地球上永遠也無法接收到那道光。鑒於光速是無法逾越的,那個距離外的天體就永遠地與地球失聯了。而這個標誌可觀測宇宙與不可觀測宇宙的界限,也被稱為德西特視界(de Sitter horizon)。
考慮到這個視界是不隨時間變化的,恆定的為csqrt{Lambda/3},那麼這個視界內存在的坐標(每個坐標的間距是a(t), 越來越大)肯定是越來越少的。因為,那些遙遠星系幾乎可以被認為是固定在它們的坐標點上,所以我們能看到的遙遠星系也會越來越少。
至於星系消失時,我們在地球上能觀測到的細節,請那些更擅長觀測的天文學家告訴我們吧。

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後記:我看到有人說問題本身是沒有意義的,希望這篇回答能讓你們滿意。


在廣義相對論中,我們說一個物體的速度指的是它相對於它周邊的空間的速度,注意是周邊。宇宙膨脹產生的觀測上的超光速可以稱之為觀測速度,並不是實際的速度。
打個比方,如果我們原地轉圈,那麼我們就會發現看起來非常遠的星星的旋轉速度是超光速了的,那實際上那顆星星有沒有超光速呢?顯然並沒有。

並且,超光速和能否被觀測到沒有關係,超音速飛機的聲音我們也能聽到,不是嗎?我們觀測到一個物體是因為它在某點發出的光被我們觀測到了,那東西是不是超光速了(只是假設)和光能否被觀測到沒有關係。可觀測宇宙的大小是超過138億光年的,相對論吧里有科普貼。

河馬老師說的也對,這個速度相當於是從紅移推斷出來的,而引力紅移是有光路過的時空的曲率決定的,所以這速度當然不是所謂的運動速度。


有,那些星象觀測不到,不屬於我們的可觀測宇宙。他們屬於的區域叫superhorizon。
我們可觀測的宇宙屬於horizon裡面。


我覺得答案是肯定的。但是只是一種遠離我們的假像,而不是它真正的速度。也就是說,超光速運動絕對是不存在的。

有幾點想說明一下
一,所謂宇宙膨脹,是空間的膨脹,空間帶著它裡面的天體相互遠離。就好像兩個天體在一把尺子上的兩個刻度處,尺子帶著天體在拉長,但是兩個天體在尺子上的刻度沒有變化,相對尺子並沒有移動。 只看宇宙膨脹效應,兩個天體並沒有運動。我們平常所說的速度,都是相對於空間來說的。
所以,請不要再這樣想了:在不變的空間里,所有的物體以真實的速度遠離,遙遠的天體以極快的速度「飛速」地在馳騁。其實你到它們那裡去,啥事都沒有,反而也能觀測到我們銀河系在「飛速」地遠離它們呢。
二,宇宙膨脹使得我們接收到的光線在傳播過程中逐漸拉長了,波長變長,也就是發生了紅移,這不同於運動引起的多普勒紅移,這種紅移稱為宇宙學紅移。也就是說,宇宙膨脹實際上造成了很遠處的天體以很高的速度遠離我們的假象。
在哈勃定律上,我們在實際中也常常直接用多普勒紅移-速度的公式進行計算,但是其實這只是一種近似。
三,哈勃定律是有局限的。當年哈勃發現哈勃定律時,只是用的幾百萬到幾千萬光年處的星系。再遠處,哈勃定律不一定還適用。現在的研究認為宇宙在不同時期膨脹速度是不一樣的(現在在加速膨脹),宇宙學遠不是一個哈勃定律能說明的。
四,在討論宇宙學問題時,一定要強化自己思維中不同時的意識。也就是說,因為光速有限,任何事情都有延遲,宇宙中的延遲現象是極其嚴重的。這就造成,從天文觀測的角度看,我們觀測的越遠,其實觀測到的是越早的景象。這時候的望遠鏡其實是真正的「望史鏡」。我們以為望得遠了,其實我們望向了宇宙的以前。從近到遠的觀測下來,實際上是看到了宇宙的歷史。
在利用天文觀測資料時,一般以大約1億光年為限。在這之內的景象,時間延遲較小,我們可以以平常的方法研究。在這之外,就必須要考慮宇宙學效應,根據宇宙學的模型綜合考察。
五,接下來問題來了:既然我們看不到現在離我們很遠的地方的景象,光線還遠沒傳過來呢,甚至它們現在的引力影響也要過很久才能抵達我們這兒呢,那我們怎麼進行研究呢,我們現在的宇宙到底是什麼樣的?
這就涉及另一個原理,就是宇宙學原理,宇宙沒有中心,宇宙各處都是一樣的。也就是說,雖然我們觀測不到宇宙現在的其他地方,是我們可以認為宇宙其他地方的景象和我們銀河系及其附近沒有什麼不同,以此建立模型。
六,許多人印象中的宇宙演化就類似於一顆米粒膨脹成了一個籃球。其實大爆炸宇宙學本來並不涉及宇宙的大小、邊界。宇宙學研究的是我們現在能觀測到的有限的宇宙從小膨脹到現在的過程。我們現在能觀測到的宇宙(可觀測宇宙)之外還是有空間和天體的,同樣,當我們的宇宙在大爆炸發生時,在它外面也還是有其他的空間和物質的。只不過它們在我們現在可以觀測的範圍以外,不可能看到它們。
七,宇宙誕生後,如果它是靜止的,以某處為中心,過n年,就能且只能觀測到n光年處。在坐標圖上呈圓錐形。宇宙年齡到137億年,就能觀測到137億光年處。這是最簡單的情況。
但是宇宙是不斷膨脹的。在極早期的暴漲階段,物質分離的速度達到光速的千倍萬倍都不止。之後又經歷了減速然後在近幾十億年里又開始加速的過程。現在我們能觀測到的天體,已經到了距離我們460億光年遠處。這就是現在可觀測宇宙的半徑大小。
八,宇宙學紅移對光子的影響是很大的。往越遠處(其實就是往越早期)觀測,需要使用的波段就要越低頻。哈勃太空望遠鏡項目的一個重要目的就是宇宙學研究,但是它往遠處觀測的潛力已經到頭了。一是口徑有限,需要很長的曝光時間,再就是它主要在可見光範圍內觀測,再低頻的光子就接收不到了。這就是為什麼它的繼任者→韋伯望遠鏡以紅外為主要觀測波段。
九,大爆炸之後30萬年(手機打字純憑記憶數字暫存疑),宇宙降溫到對於光子開始變得透明,我們能觀測到的最早的光子只能追溯到這裡。這些光子經過宇宙學紅移,到現在形成了微波背景輻射,相當於2.7k的黑體輻射。這代表著我們現在用電磁波能往早期觀測的極限。相當於大爆炸後30萬年,再往前觀測,就只能想其他的方法了。也就是說,用我們最熟悉的觀測手段-電磁波,還是觀測不到現在的視界面,也就是理論上能觀測到的最遠處。

寫的大多數和題目無關,聯想到的,僅做參考。
純手機打字,也不好查資料,本人水平有限,有問題歡迎大家指正。


我嘗試用純漢字,不嚴謹地翻譯一下 @盧秩 的答案。

1、我們日常理解的物體不能超光速,是由狹義相對論約束的,而狹義相對論里所說的速度,是定義在靜態平直的空間中。
而宇宙的膨脹,是空間本身的膨脹,不是空間中的星體在做相對空間的運動。膨脹的空間顯然不是靜態的,也不平直,因此不適用狹義相對論中對速度的定義。
因此這種看似違反相對論的超光速是可以存在的,但那些遙遠的星體,只是相對於我們的觀察超過了光速;如果我們飛到它們身邊去測量,它們相對於它們周圍的空間,沒有超光速。

2、宇宙的膨脹,主要受暗能量驅動;與之拮抗的力量,是引力。現階段兩者差不多平衡。在遙遠的未來,隨著星體間的距離越來越遠,引力越來越微弱,暗能量將逐漸佔主導,使得膨脹越來越快,令宇宙進入指數膨脹的階段。
進入該階段後,那些過於遙遠的天體發出的光,將永遠無法到達地球。我們將永遠失去與這部分天體,乃至這部分宇宙的聯繫。這部分失聯的宇宙,稱為不可觀測宇宙;相對的就是可觀測宇宙。兩者的分界線成為德西特視界。

3、在遙遠的未來,隨著膨脹,越來越多的星系將從德西特視界中逸出,我們的可觀測宇宙將越來越空曠。乃至於最後只剩下本星系群、銀河系、乃至太陽系(當然那時候太陽應該早已不是現在這樣了)


以下僅為個人看法,不喜勿噴,歡迎討論。
宇宙膨脹造成的星體退行,宇宙中任意兩點都在互相遠離,而且相距越遠,退行的「速度」越快。
之所以打引號,是因為這個速度和相對論中定義的速度是不一樣的:這個退行速度是空間膨脹導致的,而相對論中定義的速度是相對於參考系的速度。
由於相對論否定了絕對時空觀,因此相對論中認為宇宙是不存在通用的絕對靜止的參考系的(就像之前的以太),因此速度總是相對與參照系的。宇宙膨脹導致的星體退行,嚴格來講並不算一種「速度」,只是有距離除以時間的量綱。
因此,我認為退行速度超過光速是可以的,但是只是一種數值大小上的超過,並沒有太多的物理意義。
另外多說一句,星體的退行速度超過光速,意味著我們無法接受到它的信息,即它在可見宇宙之外。


通常說的相對速度不能超過光速,指的是時空局部兩個物體的相對速度不能超光速。在狹義相對論的慣性系中,時空結構是平直且均勻的,所以全局與局部沒有區別。但廣義相對論中,時空結構一般不均勻且不平直,不同地點的物理量常常不能直接比較。

在宇宙尺度上,如果定義兩個物體的相對速度為兩者之間的空間距離對宇宙年齡的導數,則對於相距足夠遠的兩個物體,是會超過光速的,並且這與所謂的「宇宙學視界」不是同一個概念。這與狹義相對論沒有矛盾,因為狹義相對論只在時空局部適用。

兩個超光速互相遠離的區域是否還能相互通訊?需要具體計算才知道。對於物質或者輻射主導的宇宙,超光速分離的兩個區域仍然可以通訊(意思是即便表面上兩個區域相互遠離的速度超過光速,從一個區域發出的光子仍然能在有限時間內到達另一個星系),但對於暗能量主導的指數式加速膨脹宇宙,則不能。具體計算參看Can distant galaxies move away from us faster than the speed of light?

這些東西算起來很簡單,僅屬於宇宙學裡最基礎的內容。但另一方面,很多人——包括專業人員——對此都有誤解。所以本樓出現這麼多錯誤答案也不奇怪。

如果想看圖像化的解釋,請看:
If some galaxies are moving away from us faster than the speed of light, then how are we able to see them?
[注意其中也有跟本樓其它答案類似的錯誤答案]

論文:
http://users.etown.edu/s/stuckeym/AJP1992a.pdf
http://arxiv.org/pdf/astro-ph/0011070v2.pdf


假使有相對於我們超過光速遠離我們的星球,那它的任何信息都傳達不到我們這裡來,我們只會認為它不存在。這個星球上面發生的任何事情,都在我們的光錐之外。
當然咯,要是假設能觀測到的話,相對速度絕對超不過光速,狹義相對論初步里的速度變換公式就可以解釋之。
要是放在三維世界中,請查找洛倫茲4維協變數矩陣做速度變換。手機碼字不易,就不打了。


題目不正確。逗號之前不正確,逗號之後也不正確。

首先,絕對不是距離越遠的恆星遠離我們速度越快!這個邏輯是哈勃定律,由於宇宙膨脹,越遠的空間膨脹的紅移越高。但是!只是適用於非常遠的尺度上的星系。對於銀河系和銀河系附近的恆星來說,決不能套用哈勃定律。

其次,不存在超過光速的恆星。不存在。沒有為什麼。不存在。


目前關於這一參數最精確的計算結果約為68km/s/Mpc(千米每秒每百萬秒差距)。如果一個星系與我們的距離為1百萬秒差距,意味著在330萬光年之外,這個星系正以68千米每秒的速度遠離我們。

光速是30萬公里每秒,而宇宙空間離地球越遠膨脹的速度越快,在足夠遠的星系遠離我們的速度有可能超過光速,有可能超過這個距離的宇宙空間他的光線也就永遠不能到達地球這邊,也就是說,地球上的人類可能永遠都不能看到宇宙的盡頭。


在時空間斷點處光速可以是無窮大,同時粒子速度也可以是無窮大(比如電子隧穿勢壘的速度),但仍然不超過此點的光速


這就是可觀測宇宙界限,對於我們來說不存在


看上去超光速的情況,存在


火車上射出一顆子彈,火車自己膨脹拉長,而子彈的速度始終不變,在小範圍內測量,子彈速度不變,在大尺度,子彈速度發生了變化。


有的有的。之前我看過這方面的書籍。現在所說的速度不可以超過光速,講的是物體的運動速度,而不是空間的膨脹速度。
對於宇宙之外是什麼,這麼想的話,就可以有一個猜想( 也是書上看到的)。
咱們都知道洗衣服時候的泡沫。我們的宇宙好比眾多泡沫中的一個,我們之外是其它泡沫。隨著時間的發展,就有更多的物質可以被我們觀測到,在我們觀測的極限之內。

如果我們處在加速膨脹劇烈的地方,膨脹速度超過了光速,那我們是看不到太陽的。因為光的速度跑不過空間膨脹的速度。
在《彎曲的旅行》《隱藏的現實》這兩書中都提到過這類的說法。


比如說一艘船在水上走,不能超過光速的只是船相對於水的速度,而水的速度可以多快並沒有限制,所以你說的那種超光速是可能的。參見曲率驅動


我在高中物理課本上看到過一個公式,(相對論下速度疊加公式)。
簡單來說,
牛頓力學告訴我們v3=v1+v2
v1=0.6c,v2=0.6c,所以v3=1.2c

但是愛因斯坦告訴我們v3=v1+v2
v1=0.6c,v2=0.6c,所以v3=1.0c

所以就算你向東1.0c,我向西1.0c
我們相對速度還是1.0c,不要問我為什麼
就是這樣任性。

你去百度搜超光速,或者視超光速其實都可以用這個原理解釋。


應該說宇宙任意兩點之間距離變化的速率是一樣的,所以不存在越遠的天體離開我們的速度越快吧。
好像有個視頻就是講這個的


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宇宙空間膨脹,是等差的還是等比例的?
中子星會有冷卻的那一天嗎?

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