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深度科普:假如10億倍光速一直飛行,能到達(dá)宇宙邊界嗎?

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根據(jù)目前被廣泛接受的物理學(xué)理論,尤其是愛因斯坦的狹義相對論,光速是宇宙中物質(zhì)運(yùn)動速度的上限,真空中的光速約為 299792458 米 / 秒 ,這一速度是不可超越的,10 億倍光速的飛行目前只能存在于想象之中。



相對論的光速不變原理指出,光在真空中的傳播速度對于任何參考系都是恒定不變的,與觀察者和光源的運(yùn)動狀態(tài)毫無關(guān)聯(lián),也不存在任何特殊的參考系。這就意味著,無論一個(gè)物體的運(yùn)動速度有多快,光相對于它的速度始終保持光速不變。

舉個(gè)例子來說,即使一艘飛船以接近光速的速度飛行,在飛船上發(fā)出的光,對于飛船內(nèi)的觀察者和地球上靜止的觀察者而言,其速度依然是光速,而不會因?yàn)轱w船的高速運(yùn)動而疊加飛船的速度。

從質(zhì)能方程 E=mc2 可以得知,當(dāng)物體的速度接近光速時(shí),其質(zhì)量會趨向于無窮大。



要讓一個(gè)質(zhì)量無窮大的物體繼續(xù)加速,就需要無窮多的能量,而這在現(xiàn)實(shí)中是根本無法實(shí)現(xiàn)的。這就如同讓一輛汽車不斷加速,隨著速度越來越快,所需的能量也會越來越多,當(dāng)接近光速時(shí),所需能量將變得超乎想象的巨大,直至無窮。

此外,在現(xiàn)實(shí)世界里,也不存在絕對剛體。例如,當(dāng)我們設(shè)想一根無限長的棒子,使其繞一端旋轉(zhuǎn),理論上另一端的速度會無窮大從而超光速,但實(shí)際上,棒子在受力時(shí)必定會產(chǎn)生形變,這一過程的傳遞速度實(shí)際上就是固體內(nèi)部的音速傳播數(shù)值,利用應(yīng)力波傳遞信息,除非是剛體,否則不可能超越光速。

要探討以 10 億倍光速飛行能否到達(dá)宇宙邊界,我們首先得了解宇宙的大小。

目前,關(guān)于宇宙大小的主流理論是宇宙大爆炸理論。



這一理論認(rèn)為,宇宙源于 138.2 億年前的一次奇點(diǎn)大爆炸 。在爆炸之前,宇宙處于一個(gè)溫度極高、密度極大、體積極小的奇點(diǎn)狀態(tài),所有的物質(zhì)和能量都被壓縮在這個(gè)奇點(diǎn)之中,時(shí)間和空間也起始于這次爆炸。大爆炸發(fā)生后,宇宙開始了急劇的膨脹與降溫過程,各種基本粒子逐漸形成,隨后原子、分子、星云、恒星、星系等天體相繼誕生,逐步演化成了我們?nèi)缃袼吹降挠钪妗?/p>

基于宇宙大爆炸理論和對宇宙微波背景輻射等的觀測研究,科學(xué)家們推算出了可觀測宇宙的大小??捎^測宇宙是指以地球?yàn)橹行?,我們目前能夠觀測到的宇宙范圍,其半徑約為 465 億光年 ,直徑約 930 億光年。



這個(gè)范圍內(nèi)包含了數(shù)以千億計(jì)的星系,每個(gè)星系又包含著海量的恒星、行星、衛(wèi)星等天體。例如,我們所處的銀河系,直徑約為 10 - 20 萬光年,包含了大約 1000 - 4000 億顆恒星 。而在可觀測宇宙中,像銀河系這樣的星系可能多達(dá)數(shù)千億個(gè)。

然而,可觀測宇宙僅僅是宇宙的一小部分。由于宇宙在不斷膨脹,且膨脹速度超過了光速(這里指的是空間的膨脹速度,并不違反物質(zhì)運(yùn)動速度不能超過光速的理論),距離我們非常遙遠(yuǎn)的星系發(fā)出的光,在可預(yù)見的時(shí)間內(nèi)永遠(yuǎn)無法到達(dá)地球,這些區(qū)域構(gòu)成了不可觀測宇宙。至于宇宙的實(shí)際大小,目前仍然是一個(gè)未解之謎。

有科學(xué)家推測,宇宙可能是無限大的,在我們可觀測宇宙之外,還有無盡的空間和物質(zhì),宇宙沒有盡頭,一直延伸至無窮遠(yuǎn)處;也有觀點(diǎn)認(rèn)為,宇宙是有限但無邊界的,就如同地球的表面,從地球表面的任何一點(diǎn)出發(fā),一直向前走,永遠(yuǎn)也找不到邊界,但地球的表面積卻是有限的。



宇宙可能類似于一個(gè)三維的 “超球體”,我們在宇宙中無論朝著哪個(gè)方向前進(jìn),最終都可能回到原點(diǎn),只是這個(gè) “超球體” 的尺度極其巨大,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了我們的想象。

假設(shè)我們突破了物理學(xué)的限制,真的擁有了以 10 億倍光速飛行的能力,那么朝著一個(gè)方向一直飛行,是否就能抵達(dá)宇宙邊界呢?答案是否定的,原因與宇宙的形狀密切相關(guān)。根據(jù)廣義相對論,宇宙時(shí)空并非是絕對平坦的,而是彎曲的,宇宙中不存在絕對平直的方向,任何方向的指向軌跡都是沿著彎曲時(shí)空的 “測地線”,光線的軌跡也不例外。

目前,關(guān)于宇宙的形狀,科學(xué)界主要有三種主流觀點(diǎn),分別是平坦的、馬鞍形(開放型)和封閉球形(閉合型) ,但至今仍未有定論。



在平坦的宇宙模型中,空間在各個(gè)方向上無限延伸,就像一個(gè)沒有盡頭的平面。在這樣的宇宙里,無論飛船以多快的速度飛行,哪怕是 10 億倍光速,也永遠(yuǎn)無法找到邊界,因?yàn)樗旧砭蜎]有邊界,飛船只會一直朝著無盡的遠(yuǎn)方飛去,永遠(yuǎn)也飛不到盡頭。就好比在一個(gè)無限大的平面上,無論你朝著哪個(gè)方向走,都不可能走到邊緣。

如果宇宙是馬鞍形(開放型),其曲率為負(fù),空間同樣是無限開放的。在這種形狀的宇宙中,光線會沿著彎曲的路徑傳播,飛船的飛行軌跡也會隨之彎曲。隨著飛行距離的增加,飛船與出發(fā)地的距離會越來越遠(yuǎn),而且不會有返回的可能,更無法到達(dá)所謂的邊界,因?yàn)橛钪嬖谶@種模型下是無限延展且沒有邊界的,飛船會一直穿梭在不斷延伸的宇宙空間中,沒有終點(diǎn)。

而對于封閉球形的宇宙,它是有限但無邊界的。

想象一下,我們在地球的表面沿著一個(gè)方向一直走,最終會回到出發(fā)點(diǎn),因?yàn)榈厍虮砻媸且粋€(gè)二維的封閉曲面。類似地,在一個(gè)三維的封閉球形宇宙中,飛船朝著一個(gè)方向飛行,看似是一直向前,但實(shí)際上由于時(shí)空的彎曲,它最終也會回到原點(diǎn),就像在一個(gè)巨大的球面上做環(huán)球旅行,無論怎么飛都飛不出這個(gè)球面,自然也就無法到達(dá)宇宙邊界。

宇宙沒有中心,也沒有邊界,反過來說,處處都可以被視為宇宙的中心和邊界。

目前我們所認(rèn)知的宇宙只是可觀測宇宙,這是以地球?yàn)橹行?、半徑約為 465 億光年的球體 。由于宇宙年齡約為 138.2 億歲,有些天體發(fā)出的光至今還未到達(dá)地球,未來可觀測宇宙的范圍還會進(jìn)一步擴(kuò)大;而有些天體的光也許永遠(yuǎn)也到不了地球,因?yàn)殡x我們遙遠(yuǎn)的星系所在的空間正以超光速膨脹(空間是光運(yùn)動的場所,不受光速不變限制),所以實(shí)際宇宙要比可觀測宇宙大得多。



宇宙是一個(gè)具有時(shí)間維度的動態(tài)膨脹的四維時(shí)空,在這個(gè)宏大的體系中,每一個(gè)點(diǎn)都可以看作是宇宙演化的中心,同時(shí)也都處于宇宙的 “邊界” 位置,因?yàn)橛钪鏇]有傳統(tǒng)意義上的外部空間來界定邊界。從某種意義上說,我們每個(gè)人在宇宙中所處的位置,都既是宇宙的中心,也是宇宙的邊界,只是我們難以直觀地感受和理解這種特性。

盡管目前 10 億倍光速飛行及到達(dá)宇宙邊界只是美好的想象,但科學(xué)的發(fā)展總是充滿無限可能。回顧科學(xué)史,許多曾經(jīng)被認(rèn)為不可能的事情,都隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步成為了現(xiàn)實(shí)。

例如,古人渴望像鳥兒一樣飛翔,這在當(dāng)時(shí)看似遙不可及,但隨著航空技術(shù)的發(fā)展,飛機(jī)的發(fā)明讓人類實(shí)現(xiàn)了翱翔藍(lán)天的夢想;曾經(jīng)人們認(rèn)為遠(yuǎn)距離即時(shí)通信是天方夜譚,而如今互聯(lián)網(wǎng)和通信衛(wèi)星的普及,讓全球各地的人們可以隨時(shí)隨地進(jìn)行視頻通話和信息交流 ?;蛟S在未來,隨著物理學(xué)理論的重大突破和技術(shù)的飛速發(fā)展,我們能夠找到超越現(xiàn)有認(rèn)知限制的方法,實(shí)現(xiàn)更快速度的飛行,對宇宙邊界的探索也會取得實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。

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