根据目前被广泛接受的物理学理论,尤其是爱因斯坦的狭义相对论,光速是宇宙中物质运动速度的上限,真空中的光速约为 299792458 米 / 秒 ,这一速度是不可超越的,10 亿倍光速的飞行目前只能存在于想象之中。
相对论的光速不变原理指出,光在真空中的传播速度对于任何参考系都是恒定不变的,与观察者和光源的运动状态毫无关联,也不存在任何特殊的参考系。这就意味着,无论一个物体的运动速度有多快,光相对于它的速度始终保持光速不变。
举个例子来说,即使一艘飞船以接近光速的速度飞行,在飞船上发出的光,对于飞船内的观察者和地球上静止的观察者而言,其速度依然是光速,而不会因为飞船的高速运动而叠加飞船的速度。
从质能方程 E=mc² 可以得知,当物体的速度接近光速时,其质量会趋向于无穷大。
要让一个质量无穷大的物体继续加速,就需要无穷多的能量,而这在现实中是根本无法实现的。这就如同让一辆汽车不断加速,随着速度越来越快,所需的能量也会越来越多,当接近光速时,所需能量将变得超乎想象的巨大,直至无穷。
此外,在现实世界里,也不存在绝对刚体。例如,当我们设想一根无限长的棒子,使其绕一端旋转,理论上另一端的速度会无穷大从而超光速,但实际上,棒子在受力时必定会产生形变,这一过程的传递速度实际上就是固体内部的音速传播数值,利用应力波传递信息,除非是刚体,否则不可能超越光速。
要探讨以 10 亿倍光速飞行能否到达宇宙边界,我们首先得了解宇宙的大小。
目前,关于宇宙大小的主流理论是宇宙大爆炸理论。
这一理论认为,宇宙源于 138.2 亿年前的一次奇点大爆炸 。在爆炸之前,宇宙处于一个温度极高、密度极大、体积极小的奇点状态,所有的物质和能量都被压缩在这个奇点之中,时间和空间也起始于这次爆炸。大爆炸发生后,宇宙开始了急剧的膨胀与降温过程,各种基本粒子逐渐形成,随后原子、分子、星云、恒星、星系等天体相继诞生,逐步演化成了我们如今所看到的宇宙。
基于宇宙大爆炸理论和对宇宙微波背景辐射等的观测研究,科学家们推算出了可观测宇宙的大小。可观测宇宙是指以地球为中心,我们目前能够观测到的宇宙范围,其半径约为 465 亿光年 ,直径约 930 亿光年。
这个范围内包含了数以千亿计的星系,每个星系又包含着海量的恒星、行星、卫星等天体。例如,我们所处的银河系,直径约为 10 - 20 万光年,包含了大约 1000 - 4000 亿颗恒星 。而在可观测宇宙中,像银河系这样的星系可能多达数千亿个。
然而,可观测宇宙仅仅是宇宙的一小部分。由于宇宙在不断膨胀,且膨胀速度超过了光速(这里指的是空间的膨胀速度,并不违反物质运动速度不能超过光速的理论),距离我们非常遥远的星系发出的光,在可预见的时间内永远无法到达地球,这些区域构成了不可观测宇宙。至于宇宙的实际大小,目前仍然是一个未解之谜。
有科学家推测,宇宙可能是无限大的,在我们可观测宇宙之外,还有无尽的空间和物质,宇宙没有尽头,一直延伸至无穷远处;也有观点认为,宇宙是有限但无边界的,就如同地球的表面,从地球表面的任何一点出发,一直向前走,永远也找不到边界,但地球的表面积却是有限的。
宇宙可能类似于一个三维的 “超球体”,我们在宇宙中无论朝着哪个方向前进,最终都可能回到原点,只是这个 “超球体” 的尺度极其巨大,远远超出了我们的想象。
假设我们突破了物理学的限制,真的拥有了以 10 亿倍光速飞行的能力,那么朝着一个方向一直飞行,是否就能抵达宇宙边界呢?答案是否定的,原因与宇宙的形状密切相关。根据广义相对论,宇宙时空并非是绝对平坦的,而是弯曲的,宇宙中不存在绝对平直的方向,任何方向的指向轨迹都是沿着弯曲时空的 “测地线”,光线的轨迹也不例外。
目前,关于宇宙的形状,科学界主要有三种主流观点,分别是平坦的、马鞍形(开放型)和封闭球形(闭合型) ,但至今仍未有定论。
在平坦的宇宙模型中,空间在各个方向上无限延伸,就像一个没有尽头的平面。在这样的宇宙里,无论飞船以多快的速度飞行,哪怕是 10 亿倍光速,也永远无法找到边界,因为它本身就没有边界,飞船只会一直朝着无尽的远方飞去,永远也飞不到尽头。就好比在一个无限大的平面上,无论你朝着哪个方向走,都不可能走到边缘。
如果宇宙是马鞍形(开放型),其曲率为负,空间同样是无限开放的。在这种形状的宇宙中,光线会沿着弯曲的路径传播,飞船的飞行轨迹也会随之弯曲。随着飞行距离的增加,飞船与出发地的距离会越来越远,而且不会有返回的可能,更无法到达所谓的边界,因为宇宙在这种模型下是无限延展且没有边界的,飞船会一直穿梭在不断延伸的宇宙空间中,没有终点。
而对于封闭球形的宇宙,它是有限但无边界的。
想象一下,我们在地球的表面沿着一个方向一直走,最终会回到出发点,因为地球表面是一个二维的封闭曲面。类似地,在一个三维的封闭球形宇宙中,飞船朝着一个方向飞行,看似是一直向前,但实际上由于时空的弯曲,它最终也会回到原点,就像在一个巨大的球面上做环球旅行,无论怎么飞都飞不出这个球面,自然也就无法到达宇宙边界。
宇宙没有中心,也没有边界,反过来说,处处都可以被视为宇宙的中心和边界。
目前我们所认知的宇宙只是可观测宇宙,这是以地球为中心、半径约为 465 亿光年的球体 。由于宇宙年龄约为 138.2 亿岁,有些天体发出的光至今还未到达地球,未来可观测宇宙的范围还会进一步扩大;而有些天体的光也许永远也到不了地球,因为离我们遥远的星系所在的空间正以超光速膨胀(空间是光运动的场所,不受光速不变限制),所以实际宇宙要比可观测宇宙大得多。
宇宙是一个具有时间维度的动态膨胀的四维时空,在这个宏大的体系中,每一个点都可以看作是宇宙演化的中心,同时也都处于宇宙的 “边界” 位置,因为宇宙没有传统意义上的外部空间来界定边界。从某种意义上说,我们每个人在宇宙中所处的位置,都既是宇宙的中心,也是宇宙的边界,只是我们难以直观地感受和理解这种特性。
尽管目前 10 亿倍光速飞行及到达宇宙边界只是美好的想象,但科学的发展总是充满无限可能。回顾科学史,许多曾经被认为不可能的事情,都随着科学技术的进步成为了现实。
例如,古人渴望像鸟儿一样飞翔,这在当时看似遥不可及,但随着航空技术的发展,飞机的发明让人类实现了翱翔蓝天的梦想;曾经人们认为远距离即时通信是天方夜谭,而如今互联网和通信卫星的普及,让全球各地的人们可以随时随地进行视频通话和信息交流 。或许在未来,随着物理学理论的重大突破和技术的飞速发展,我们能够找到超越现有认知限制的方法,实现更快速度的飞行,对宇宙边界的探索也会取得实质性的进展。