本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。
在一些科普文章中，人們常常看到，宇宙年齡138億歲，卻有930億光年的可觀測直徑。於是很多網友質疑，這是怎麼回事呢？
其實簡單的回答，就是宇宙膨脹速度超過光速。但很多科普文章又強調，光速每秒約30萬千米，是宇宙中最高速度，任何物體不得超越。這樣有人就更疑惑了，這豈不矛盾嗎？難道科學可以翻手為雲覆手為雨，隨意亂點鴛鴦譜？
為了幫助大家弄清楚這個問題，我們一起從宇宙誕生和成長說起。
大爆炸宇宙模型是當前科學界公認的標準模型。
大爆炸宇宙模型認為，在約138億年前，宇宙從大爆炸中誕生了。所謂宇宙誕生就是時空物質的誕生，在這之前是沒有時空物質的。不要老幻想著宇宙大爆炸之前是個什麼樣子，這是一個無解的問題，因為人類目前只能夠解釋三維空間的問題。
簡單的說所謂三維空間就是有長寬高三個維度以及一維時間軸的世界，綜合起來就叫四維時空。迄今為止，人類的所有理論都是認識和解釋四維時空事物的，超出了這個時空，人類就無法認識，因此宇宙大爆炸起始於奇點，人類的認識就到那個奇點為止。
奇點就是被認為時空合併或者消亡的地方，沒有時空的地方絕對不是我們世界的東西，因此無法解釋。不過現代興起的量子力學試著採用量子漲落來解釋宇宙誕生之前的情況，認為時空誕生於某種超時空，也就是所謂的量子真空，是在與海森堡不確定性原理相符的量子能量隨機漲落中誕生。這只是猜想，我們這裡不深入討論。
大爆炸宇宙模型對爆炸暴漲期描述。
大爆炸宇宙論已經是現代宇宙學和天文物理學的標準模型，得到了科學界最廣泛的認同。這個理論認為，人類認識宇宙的時間從普朗克時間開始，普朗克時間為10^-43秒，也就是1000億億億億億分之一秒開始。理論認為那個時間的宇宙空間只有10^35米，就是1000億億億分之一米；溫度約10^32度，就是1億億億億度。
當宇宙大爆炸時間到了10^-35秒時，宇宙經歷了第一次暴漲。這個暴漲僅持續了10^-33秒，這一瞬間，宇宙經歷了100次加倍，即2^100次加倍，得到的尺度是先前尺度的10^30倍，也就是增長了100萬億億億倍。這時候的宇宙有多大呢？沒有具體數據，我們只知道普朗克時間普朗克尺度，但不知道大爆炸後10^-35秒時暴漲前的大小。
假定這個時候的宇宙已經從普朗克尺度達到了1cm的話，增長了100萬億億億倍後的宇宙就已經有10570億光年。這樣看來暴漲前的宇宙很顯然沒有1釐米，頂多只有微米級。如果暴漲前的尺度為1um，經過10^-35秒的暴漲就達到了1億多光年，這個速度有多快？是光速的10^43倍。
因此宇宙膨脹暴漲期顯然比光速要快多了，而且快了幾十個數量級。
現在確定宇宙膨脹速率的方法是測量哈勃常數。
所謂哈勃常數就是測量距離我們Mpc距離星系離開我們的速度，Mpc是百萬秒差距的縮寫，秒差距是建立在三角視差基礎上的天文長度單位，1個秒差距（pc）約3.26光年，Mpc就是約326萬光年。
上百年來，科學家們通過各種方式測量哈勃常數，取得的結果都有一定差異。近期幾次相對精確一些的測量結果為：2006年8月，馬歇爾太空飛行中心研究團隊利用NASA錢卓X射線天文臺測得的數值為77km/s·Mpc，正負誤差約15%；2009年5月7日，NASA根據la超新星爆發測得數值為74.2km/s·Mpc，正負誤差在5%以內；2013年3月21日，歐空局宣布通過普朗克衛星測得值為67.8km/s·Mpc，正負誤差約1%；2019年9月，德國科學團隊利用引力透鏡效應計算值為82.4km/s·Mpc。
這些誤差很可能由於測量方法的不同導致，或許還沒有找到一個更統一精確的方法。但我們不妨可以作為參考來計算一下宇宙膨脹速度。
根據哈勃常數得出的現在宇宙整體膨脹速度。
計算宇宙膨脹速度的方法適用哈勃定律，這是美國天文學家埃德溫·哈勃在上世紀20年代發現宇宙膨脹現象時創立的一個理論。他發現宇宙膨脹呈現出各向同性，與距離成正比例線性關係的規律，就是距離越近，星系離開我們的速度越慢，距離越遠離開的速度越快。因此，通過測得的哈勃常數，就能夠計算出宇宙膨脹速度。
哈勃定律表達式為：V=HxD
這裡，V表示天體遠離速率，單位km/s；H表示哈勃常數，單位km/s·Mpc；D表示相對地球的距離，單位Mpc。
上面已經測得的哈勃常數，既然不統一，我們取一個4次平均值，為75.35km/s·Mpc。就是說在距離我們Mpc（326萬光年）的地方，星系離開我們的速度為每秒75.35km。
現在科學界認為我們宇宙可觀測範圍約465億光年，那麼在距離我們465億光年的地方，星系離開我們的速度有多快呢？我們將數據代入公式就可以計算出來。
V=75.35x(46500000000/3260000)=75.35x14263.8≈1074777km/s
得到的計算結果是，現在宇宙膨脹速度達到光速3.58倍以上。
哈勃常數是一個非常重要的數據，可以通過這個速度大小，計算出宇宙的年齡，速度越大，說明宇宙越年輕。因此把這個數值弄精確，對宇宙的過去未來研究具有十分重要的意義。
有人要由此提出疑問了，不是說我們世界的最高速度是光速，任何物體運動速度都不能大於光速嗎？是的，這是愛因斯坦狹義相對論得出的結論。這個結論已經經歷了100年無數次的質疑和檢驗，觀測事實和實驗結果都證明了這個結論的顛撲不破。
光速不可突破受質速關係公式限制。
原來宇宙膨脹是空間本身的膨脹，並不是物質運動速度，因此它不受光速藩籬的約束。
愛因斯坦相對論要求物質運動速度不能大於光速，理論依據是質增效應，是指凡有質量的物體速度越快，其動量就越大，達到光速動量就會無窮大。要知道，宇宙質量也是有限的而非無窮的，一個運動著的粒子達到了動量無窮大，豈不把宇宙毀滅了？
光速限制適用於質速關係公式，表述為：M=m/√[1-（v/c）^2]
其中M為物質的運動質量，m為物質的靜質量，v為運動速度，c為光速。通過這個公式，我們可以計算出任意速度的質增效應。隨著有靜質量物體無限接近光速，我們可以計算出動量趨於無窮大，一個質子也會如此。當物體運動達到光速時本題無解，因此是不可實現的。
既然如此，為什麼宇宙膨脹可以超越光速呢？
這是因為宇宙膨脹是時空本身的膨脹，並非有質量物體的運動，所以不受上述公式限制。現在天文物理學前沿理論認為，宇宙膨脹受暗能量推動，而星繫結構依靠暗物質引力維持。這是另一個話題，在此不深入討論。
從上述介紹我們可以看出，宇宙膨脹速度是疊加計算的，是整體疊加起來整個宇宙膨脹才超過光速。較近的物體之間分離的速度並不快，比如在距離我們326萬光年的地方，星系離開我們的速度才75.35km/s，與光速完全不是一個量級。
根據哈勃定律計算，在更近距離宇宙膨脹的速率就更慢了，1光年的地方慢到2.3cm/s，有興趣的朋友可以自己演算。而且在近距離，引力效應起到了更大的作用，一些星系還會由於引力作用相互靠攏，比如銀河系和仙女座星系，雖然相隔254萬光年，但由於巨大引力相互吸引，正在以每秒300多公裡的速度靠近，在未來40億年內，兩個星系會發生碰撞和融合。
這就不是本文談論的話題了，就此打住。
這就是宇宙年齡才138億歲，卻有930億光年可觀測直徑的原因。實際上宇宙不光有可觀測範圍，還有不可觀測範圍，這個範圍有多大，因為無法觀測，目前還沒有任何人能夠給出一個數據，很可能不可觀測範圍還遠遠大於可觀測範圍呢。
就是這樣，歡迎討論，感謝閱讀。
時空通訊原創版權，侵權抄襲是不道德的行為，敬請理解合作。