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宇宙中有比光速更快的吗 超大质量黑洞的第一宇宙速度可能等于光速

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本文参加百家号 #科学了不起# 系列征文赛 。
宇宙中存在着大量的星系 ， 我们能观测到的数量估计为2万亿个 。最近的河外星系离银河系只有几万光年 ， 最远的河外星系位于上百亿光年之外 。在这些星系中  ， 它们的光谱大都显示出红移 ， 而且距离越远红移值越大 。这意味着河外星系都在远去 ， 而且距离越远 ， 远离速度越快 。
如果河外星系离银河系足够远 ， 它们的退行速度甚至可以超过光速 。然而 ， 爱因斯坦的相对论又指出 ， 任何速度都不可能超过光速 。那么 ， 星系的退行速度是如何超光速的呢？为什么这样的超光速又没有与相对论相违背呢？
狭义相对论：光速如何不可超越？
相对论是大家喜欢谈论的一个话题 ， 但这个理论很容易被误解 。宇宙中确实存一个终极速度 ， 那就是真空光速c 。而且一旦物体有静止质量 ， 光速都不可能达到 ， 更不用说超光速 ， 只有静止质量为零的东西才能以光速运动 。
需要注意的是 ， 我们通常在谈论速度时 ， 都是指物体相对于局域静止空间的速度 。但如果两个物体处于不同的空间坐标 ， 在谈论速度时就需要注意一个关键的因素——时空本身的曲率和演化 ， 这是广义相对论所讨论的范畴 。
狭义相对论的适用范围是静态且没有曲率的平坦空间 ， 但在现实中 ， 宇宙中充满了物质和能量 。在物质和能量存在的情况下 ， 时空结构会随着随时间而变化 ， 导致空间位置发生了变化 。
在诸如恒星这样的大质量天体周围 ， 空间会被弯曲 ， 处在这种弯曲空间中的物体就会加速靠近该大质量天体 ， 从而表现出引力效应 ， 这就是广义相对论对引力的解释 。即使物体没有相对于空间结构本身存在运动 ， 它也会随着空间结构的变化而发生运动 。空间就像一条传送带 ， 即便传送带上的物体是不动的 ， 但运动的传送带会带着上面的物体一起运动 。
广义相对论：星系可以超光速退行
根据广义相对论 ， 在一个各向同性且均匀的宇宙中 ， 时空想要保持静态是不可能的 ， 宇宙要么在坍缩 ， 要么在膨胀 。但爱因斯坦一开始不允许这样的事情发生 ， 他在这个理论中引入了宇宙学常数 ， 以维持时空静态 。
在20世纪20年代 ， 哈勃对星系的光谱做了详尽研究 。结果发现 ， 宇宙中的星系并不是一半蓝移一半红移 ， 而是几乎都在红移 ， 只有银河系附近的少数星系出现蓝移 ， 这表明星系基本上都在远离银河系 。
根据多普勒效应 ， 光源在逐渐远离而去时 ， 光的波长会变长 ， 这会导致出现红移 。不过 ， 星系的红移并非是狭义相对论的那种局域运动引起的 ， 因为还有一个更重要的规律 ， 这会让星系以超光速退行 。
哈勃定律
星系不仅大都在退行 ， 而去退行速度（v）还会随着距离（D）的增加而线性增加 ， 这个关系如今被称为哈勃定律 ， 比例系数被称为哈勃常数（H0） 。
唯一能够解释哈勃定律的事实是空间自身正在膨胀 。如果把气球表面比作空间结构 ， 气球上的点比作空间中的星系 。那么 ， 当气球膨胀时 ， 气球上的点就会随之被互相推开 。无论从哪个点看来 ， 其他点都在退行 ， 而且距离越远的点退行速度越快 。因此 ， 只要距离足够远 ， 星系之间的空间在单位时间内膨胀足够多 ， 就会导致星系之间以超光速退行 。
空间膨胀速度有多快？
目前 ， 哈勃常数的测量值大概为70千米/秒/百万秒差距 。百万秒差距是天文学上所使用的长度单位 ， 1百万秒差距表示326万光年 。哈勃常数表明 ， 如果两个星系的距离为326万光年 ， 那么 ， 空间膨胀会让它们以70千米/秒的速度互相远离 ， 其他距离以此类推 。
照此来算 ， 当两个星系的距离达到140亿光年之时 ， 空间膨胀会让它们互相分开的速度达到光速 。如果距离超过140亿光年 ， 星系的退行速度就会大于光速 。值得再次强调的是 ， 这并不是星系在空间中真的以超光速运动 ， 而是由空间结构的膨胀所引起的 ， 这与相对论中的速度概念完全不是一回事 。
由于宇宙不断膨胀 ， 我们所能观测到的最远星系GN-z11现在已经退行到了320亿光年之外 ， 它目前的退行速度是光速的2.3倍 ， 这是目前已知退行速度最快的星系 。它现在发出的光永远也无法抵达地球 ， 所以我们不可能观测到现在的GN-z11 。
即便未来能够制造出非常先进的天文望远镜 ， 观测到最为遥远的宇宙 ， 但绝大多数星系都无法被我们观测到 。未来 ， 我们只能观测到现在距离银河系不超过140亿光年的星系 ， 因为它们目前发出的光经过足够长的时间之后 ， 最终还能到达地球 。
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