假如你以光速穿越银河系需要多长时间?18万年还是一瞬间?

宇宙时空探索 2024-11-27 14:05:40

在谈论宇宙速度的极限时,光速总是一个不可逾越的障碍。

让我们再次重申:没有任何物质,包括人类,能够达到光速,这是由爱因斯坦的相对论中的光速不变原理所决定的(除非有证据表明这一原理是错误的,但目前还没有出现这样的情况)。狭义相对论的构建正是基于这一原理以及相对性原理,因此,狭义相对论的一些公式和结论中也反映出了光速的限制。例如,著名的质能关系公式:

(其中m表示物体的运动质量,m0代表物体的静止质量,V表示物体的速度,C表示光速,在m0≠0的情况下,当Ⅴ趋近于C时,分母的平方根趋近于0,从而导致m趋近于无穷大)。尽管公式本身并未明确限制物体的速度,但当物体速度接近光速时,其质量将趋近于无穷大。达到光速时的质量就是无穷大,要想推动这样一个质量无穷大的物体,就需要无穷多的能量。如果宇宙是有限的,那么整个宇宙的能量都无法推动这样的物体,这也就阻止了任何物体达到光速。在光速都无法达到的情况下,超光速更是不可能。

目前,只有光子能以光速行进(还有引力波),这与其静止质量为零的特性不矛盾。因此,我们或许可以这样重新提出问题:“光子穿越银河需要多少时间?是18万年还是零?”这样的提问似乎更合理。但是,假设我们真的想要让人类达到光速,比如说通过使用无穷大的能量来将一个人加速至光速,那么此时这个人实际上就脱离了常规的时空,转化成了光,最后还是由光来穿越银河系。

现在来回答这样一个问题:光速穿越银河系需要多少时间?18万年还是零?答案是:对于以光速移动的物体或者人来说,时间是零;而对于相对于地球或银河系静止的观察者来说,时间是18万年(指沿着银河系的银道面做水平穿越)。

根据相对论,时间的流逝具有相对性。一个物体运动的速度越快,其内部时间的流逝就越慢。对于地球静止的观察者来说,会观察到快速移动物体内部的时间变慢了,这就是所谓的时间膨胀效应。以下是时间膨胀的公式:

(其中△t′是移动物体内部的时间间隔,而△t是地球静止观察者的时间间隔,V表示物体相对于地球的运动速度,C为光速)。当物体的速度V接近光速时,公式中的根式趋近于零,因此物体内部的时间△t′也趋近于零,即时间膨胀效应开始显现。根据公式,如果V=C,则△t′=0,即当物体以光速移动时,其内部的时间就静止了。

如果这个以光速移动的物体是一个人,而这个人仍然有知觉的话,他会觉得在没有花费任何时间的情况下就穿越了整个银河系,甚至穿越了整个宇宙,因为对他来说,时间已经停止了。还没等他感觉到时间的流逝,就没有任何东西可供穿越了,于是他脱离了宇宙的时空束缚,最终成为光子是必然的结果。

对于这个“他”来说,不仅时间不存在,空间也不再有意义。“他”当然依然存在,因为没有任何理论禁止他以我们尚不知道的方式存在。

而对于地球上的观察者来说,这个人正在进行一场持续几十万年,甚至数百亿年的漫长飞行。而穿越银河系所需的时间是18万年。当然,这是基于沿着银道面穿越的假设,如果是垂直于银道面穿越银河中心,则只需要1.2万年,因为银心的厚度约为1.2万光年。

以上假设了人能够以光速穿越银河系,但实际上人无法达到光速。然而,未来的人类使用亚光速旅行穿越银河系是完全可能的。

我们再来回答一下,人类以亚光速穿越银河系需要多少时间,以及可能的方法。为了简化回答,我们还是只考虑沿着银道面水平穿越的情况。以亚光速移动的人会因为钟慢尺缩效应,而使得在地球观察者看来的18万光年银河直径,在他们看来并不是那么长。以下是相对论的尺缩公式:

(其中L表示以亚光速移动的人所看到的银河系直径,L0表示地球观察者所看到的银河系直径,即18万光年或1.89x10^21公里,V表示移动速度,C表示光速)。当V趋近于C时,公式中的根式趋近于零,L也趋近于零。例如,当V=0.8C时,L≈10.8万光年,那么穿越所需的时间△t=L/V≈13.5万年;当V=0.99999999C时,L≈25.45光年,则△t≈25.46年。这意味着,当人以光速的0.99999999倍飞行时,只需要25.46年就能穿越银河系,这当然是对于亚光速飞行的人来说的时间,而对于地球上的人来说,他们度过了超过18万年。

当然,如果未来人类掌握了“虫洞”技术或曲速引擎技术,像穿越银河系这样的星际旅行可能会成为常态。“虫洞”是由爱因斯坦在1936年提出的,它是利用空间折叠技术将两个相隔遥远的时空点连接起来,实现瞬间的空间转移和时空旅行。因为是利用了空间的捷径,所以并没有真正地超越光速,并没有违反光速不变原理。

而曲速旅行则是通过在运动物体周围利用反物质驱动的曲速引擎来制造一个人工曲力场,压缩运动方向上的时空,膨胀其后的时空,形成一个“时空泡”,使得物体能在这个泡中以若干倍光速移动。

因为只是对时空进行了压缩,所以也没有真正的超光速。以上两种穿越银河系的方法,无论是对于在飞行的人还是地球上的观察者来说,所花费的时间都不是很长。如果未来这些技术能够成熟,必将成为人类星际旅行的首选方式,使得穿越银河系变得像从一个城市到另一个城市那样便捷和节省时间。

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