根據目前最為精確的觀測結果來估計,宇宙起源於138億年前的時空奇點,可觀測宇宙目前已經膨脹到半徑為465億光年的範圍,不可觀測宇宙的半徑更是有可能達到12萬億光年。顯然,宇宙的膨脹速度已經遠超光速,遙遠宇宙中的星系會以數倍光速的速度在遠離我們。
另一方面,愛因斯坦相對論所說的光速不可超越已經得到了大量實驗的證實。那麼,超光速膨脹的宇宙是否違背了相對論呢?或者愛因斯坦錯了嗎?
事實上,愛因斯坦沒錯,相對論的正確性毋庸置疑。天文學家的觀測結果也沒有問題,宇宙確實在超光速膨脹。問題就在於很多人對宇宙膨脹存在很深的誤解。
宇宙大爆炸與我們常識中的爆炸完全是兩碼事。當炸彈爆炸時,能量從中心擴散到四周,炸彈碎片會朝著各個方向被拋射出去,而宇宙大爆炸並非如此。雖然宇宙起源一個奇點,但能量和物質並不是從那個奇點擴散到虛無的空間中,奇點並不在空間中,而是空間本身從奇點中創造出來。
宇宙在膨脹時,星系不是從一個點向四周擴散出去,否則的話地球就成了宇宙的中心。在地球上,我們觀測到星系幾乎都在退行而去,但我們知道地球不是宇宙的中心,在宇宙中的其他地方也會觀測到類似的星系退行現象。唯一能夠解釋這種特殊現象的是空間結構自身在膨脹。
為了理解空間的膨脹,可以把三維空間結構想像成二維氣球表面,氣球表面上的每個點代表宇宙中的星系。當氣球膨脹時,表面會不斷擴張,這會導致氣球上的點互相遠離。從任意一點觀測,其他點都在遠離,距離都在增加。並且原先距離越遠的點,遠離速度越快。這是因為氣球在每個地方都膨脹了,所以距離越遠,在單位時間內膨脹越多。
宇宙的膨脹也是類似的原理,空間結構在不斷擴張,這就會推動空間中的星系互相遠離。但在現實中,還存在極少數互相接近的星系,例如,銀河系與仙女座星系,其原因在於它們之間的距離較近,足夠強大的引力會把星系吸引到一起。
由於宇宙空間自身結構的不斷擴張,只要距離足夠遠的星系,它們之間互相遠離的速度可以超過光速,這並不違反相對論。因為相對論所說的速度是指局域速度,星系相對於背景時空不可超越光速,而空間膨脹所引發的超光速現象與此無關,空間擴張速度不受相對論限制。
那麼,空間的膨脹速度有多快呢?
在天文學中,哈勃常數被用於表示空間膨脹的速度,其大小約為70(千米/秒)/326萬光年。具體來說,如果兩個星系的距離為326萬光年,那麼,它們之間的空間擴張會讓它們互相遠離的速度達到70千米/秒。如果距離為3260萬光年,退行速度等比例變快10倍,即達到700千米/秒。當距離達到大約140億光年時,退行速度超過30萬千米/秒,這已經大於光速。
正是由於空間結構的持續膨脹,宇宙在138億年裡從沒有大小的奇點擴展到如今巨大的尺度——可觀測宇宙的尺度可達930億光年,不可觀測宇宙的尺度更是高達24萬億光年。