在我们居住的宇宙里，所有事物都按照既有的物理法则运作，这些法则构成了我们所理解的科学，它们是支配宇宙的根本规则。
这些规则中的一条虽然被广泛接受，我们有时仍旧会对它表示怀疑，并且我们对挑战这种基础性规则持开放态度。
这条法则是由爱因斯坦在一百年前提出的，即：宇宙中有一个速度的极限，也就是光速，在真空中光速是299,792,458米/秒。
在物理学界，我们认为所有无质量的粒子在真空中的速度都应当等于光速，目前已知符合这一条件的粒子包括光子、胶子和引力子。
任何质量非零的粒子都无法达到光速，即使是质量最轻的中微子（质量仅为1.1eV，比质量第二轻的电子（5.11×10^5eV）轻了近50万倍），其速度在真空中也无法达到光速。
那么，为何宇宙的时空能以超过光速的速度膨胀呢？为何有些巨大的星系从我们这里远离的速度也超过了光速？
这似乎与光速不可超越的基本规律相矛盾？接下来让我们探讨这个问题。
尺缩效应
1905年，爱因斯坦提出了革命性的狭义相对论，这改变了我们对固有时空的理解，比如尺缩效应和时间膨胀效应。
这两种效应的奇异程度堪比魔法，狭义相对论的诞生基于爱因斯坦对光速的深入思考，并提出了三个基本假设，这些也构成了狭义相对论的基石。
1、无论你身处何地，无论你处于何种状态，光速在你眼中始终是不变的。
2、无论你在何处，无论你如何运动，你观测到的物理规律始终如一。
3、光的传播不需要任何介质，只需要有时间和空间。
这些基本假设中最让人困惑的是光速恒定原则，这个原理与我们日常生活的经验相悖，速度叠加原理在我们的日常生活中是常见的。
比如，两辆相向或同向行驶的车辆，它们之间的速度是叠加的；或者你在自行车上向前扔一个球，对于地面上的观察者来说，球的速度会加上自行车的速度。
但光速并非如此，它对于任何事物都保持一致的速度。
迈克尔逊干涉仪的基本原理图
这个现象对我们来说几乎无法理解，但早在1881年，科学家阿尔伯特·迈克尔逊和爱德华·莫雷已通过实验手段证明了光速恒定。
实验的基本原理是制造一个干涉仪，在光源处发射一束光，光通过分束器后分为两束垂直的相干光，这两束光拥有相同的波长。
这两束光经过相同的传播距离反射回来后，会产生新的干涉图案。关键点在于，如果一束光的速度发生改变，则相对于另一束光会出现滞后。
当两束光相遇时，干涉条纹会发生变化。但实验结果表明，即便地球在宇宙中以约30公里/秒的速度绕太阳运行，干涉条纹依旧未发生变化。
这表明不管光的哪个分量，其速度都不会因地球的快速运动而改变，仍然保持光速。这证明光速恒定不是爱因斯坦凭空想象的，而是实验结果。尽管光速不符合简单的速度叠加原理，但相对于光速的运动，我们仍可以观察到光的红移和蓝移现象。
1916年，爱因斯坦的一项重大成就是将引力纳入相对论，重新定义了我们对宇宙时空结构的理解，此前我们使用牛顿的引力理论解释万物。
但出现了一些问题，如在大质量天体或高能量环境下牛顿引力理论的不准确性，以及解释光线弯曲现象的困难，而广义相对论的出现解决了这些问题，牛顿引力成为相对论引力的一个近似。
广义相对论将引力解释为质量/能量对宇宙时空造成的弯曲，这种弯曲的时空影响着宇宙万物的运动。水星轨道的异常进动以及1919年爱丁顿对日食的观测证实了广义相对论的正确性。
新的引力理论和时空观念让我们认识到我们所处的宇宙并非精致不变，它要么在引力作用下收缩，要么在膨胀，总之爱因斯坦描述的宇宙是一个动态的宇宙。
事实上，早在1924年，天文学家已经观测到宇宙中的星系与我们之间的距离及其发出的星光红移之间存在密切关系，虽然这些星系在宇宙中都在相对运动，但没有绝对静止的物体，这种相对速度仅为每秒几千公里。
而我们观测到的星光红移量远超星系相对运动带来的红移效果。并且我们发现，这些星系距我们越远，其红移量越大。
根据爱因斯坦的理论，科学家们迅速意识到我们处于一个加速膨胀的宇宙中，星系的退行速度随着距离的增加而增大，是因为整个宇宙的时空在加速膨胀。
这种现象可以比作蒸面包时面团中的葡萄干，面团膨胀时葡萄干会彼此远离，其中最远的葡萄干似乎移动得更快。
但这并非因为葡萄干或星系本身在移动，它们认为自己一直处于静止状态，而是整个面团或时空在扩张。
举个例子，假如你现在住在上海，而另一个人住在北京，即便你们一年内都没有离开各自的城市，如果地球在膨胀，你们也会感觉对方在远离自己。
星系的情况也是这样。宇宙中的早期星系形成于宇宙诞生后的数亿年内，它们发出的光线自那时起就开始向外传播。
这些光线经过了长达130亿年甚至更长的旅程才到达地球。当这些光线最初被星系发射时，可能处于紫外线波段，但由于空间的扩张，这些光线已被拉长到红外线波段。
通过测量红移值，我们得出星系正以超过光速的速度加速远离我们的结论。
但实际上，这些星系并没有物理上的移动，它们相对于空间的速度可能只有光速的2%，甚至更低。
我们通常说光速是宇宙中的极限速度，意味着任何物体相对于空间的运动速度都不能超过光速。但这一法则并不限制空间本身，空间的膨胀速度没有上限，并且它不违反因果律，也不传递任何信息。
最重要的是，空间的膨胀并不是我们通常认为的物体速度，而是距离单位变化率，单位是km/s/mpc，更类似于一个频率。
由于空间的加速膨胀，尽管宇宙的年龄仅为138亿年，我们现在能看到的星系或宇宙的边界已经达到了461光年的距离。
