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深度科普:假如以10亿倍光速一直飞行,最终能到达宇宙边界吗?

宇宙怪谈 · 9 小时前
在探讨 10 亿倍光速飞行之前,我们必须先了解宇宙速度的基本法则。
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根据爱因斯坦的狭义相对论,真空中的光速(c)约为 299,792,458 米 / 秒,这是宇宙中信息传递和物质运动速度的上限 ,任何有静止质量的物体都无法达到或超越光速。这一理论并非凭空猜测,而是经过了无数实验和观测的验证,如迈克尔逊 - 莫雷实验,该实验证明了光速在不同惯性参考系中保持不变,为狭义相对论奠定了坚实的基础。
从理论上来说,当物体的速度接近光速时,其质量会趋近于无穷大,根据质能公式 E=mc²,要推动质量无穷大的物体加速,所需的能量也是无穷大,而在现实宇宙中,无穷大的能量是无法获取的,这就使得有静止质量的物体被限制在了光速的 “牢笼” 内。
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光子之所以能够以光速飞行,正是因为它的静止质量为零,这是宇宙赋予光的独特 “特权”。
从理论模型来看,宇宙可能具有多种形状,其中有限无界的模型备受关注。
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在这种模型下,宇宙可能类似于一个封闭的球形,就像地球的表面,我们在地球表面上朝着一个方向一直前进,永远也找不到边界,但地球的表面积却是有限的。如果宇宙是这样的封闭球形,那么无论我们以多快的速度朝一个方向飞行,最终可能会回到出发点,就像麦哲伦环球航行一样,看似一直朝着一个方向前行,却在不知不觉中绕了地球一圈 。
除了封闭球形,宇宙还可能是马鞍形或平面。
在马鞍形的宇宙中,空间的曲率为负,其几何性质与我们日常生活中的欧几里得几何有很大不同,在这种宇宙中,三角形的内角和小于 180 度。而在平面宇宙中,空间曲率为零,符合我们熟悉的欧几里得几何,三角形内角和等于 180 度。这两种形状的宇宙同样可能是无界的,即使朝着一个方向飞行,也难以抵达所谓的 “边界”,因为它们在空间上可以无限延展。
同时,我们必须区分可观测宇宙和真实宇宙的概念。
可观测宇宙是以地球为中心,半径约为 465 亿光年的球形区域,这是由于宇宙年龄和光速限制所导致的观测范围。
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在这个范围内,我们可以接收到天体发出的光或其他信号 。然而,真实宇宙的大小可能远远超出可观测宇宙,宇宙自大爆炸以来一直在加速膨胀,那些远离我们的星系退行速度甚至超过了光速(这里的超光速并不违反狭义相对论,因为是空间本身的膨胀导致的相对速度超光速),使得它们发出的光永远无法到达我们这里,所以我们无法直接观测到真实宇宙的全貌。
有研究推测,真实宇宙的大小可能是可观测宇宙的数倍甚至更多,其中可能包含着无数我们尚未知晓的星系、恒星和其他神秘天体。在如此浩瀚的真实宇宙面前,即使以 10 亿倍光速飞行,在可观测宇宙内或许能快速穿越,但面对远超我们观测范围的真实宇宙,是否能到达其边界,仍然是一个未知数,因为宇宙的未知部分可能太过广阔,远远超出了我们对距离和时间的常规理解。
让我们暂时抛开现实的物理限制,进行一场思想实验,假设真的存在一艘能够以 10 亿倍光速飞行的飞船,朝着一个方向进发,它能到达宇宙边界吗?
在有限无界的球形宇宙模型中,飞船以 10 亿倍光速飞行,就像在地球表面上快速移动的物体。想象一只在地球表面高速奔跑的蚂蚁,尽管它速度很快,但由于地球表面的曲率,它无论朝哪个方向跑,最终都会绕地球一圈回到原点。同理,飞船在球形宇宙中飞行,尽管速度惊人,但在宇宙的弯曲时空里,它的轨迹会逐渐弯曲,最终回到出发点,无法找到所谓的边界 。
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如果宇宙是马鞍形或平面且无界的,飞船的飞行情况又有所不同。在马鞍形宇宙中,空间的负曲率使得飞船的飞行路径不断偏离直线,随着飞行距离的增加,它会离出发点越来越远,但永远也飞不到尽头,因为宇宙在这个模型中是无限延展的,不存在边界。而在平面宇宙中,飞船可以一直沿着直线飞行,理论上它可以穿越无尽的空间,然而,由于宇宙的无限性,它同样无法抵达一个明确的 “边界”,因为这样的边界根本不存在。
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从可观测宇宙与真实宇宙的角度看,即便飞船以 10 亿倍光速飞行,在可观测宇宙内,它可以迅速跨越巨大的距离,比如在极短时间内穿越银河系甚至更远。但面对真实宇宙,情况则截然不同。由于宇宙的加速膨胀,那些远离我们的星系退行速度远超光速,真实宇宙的未知部分在不断扩大。飞船在飞行过程中,前方的宇宙可能在以更快的速度膨胀,使得它与 “宇宙边界”(如果存在的话)的距离始终遥不可及,就像在跑步机上跑步,无论跑得多快,终点却在不断后退。
其实如果想要到达宇宙边界(假设存在这个边界),根本不用10亿倍光速,只要足够接近光速就行了。因为光速可以无视时间,无论空间距离多遥远,光都能瞬间抵达。以我们庞大的宇宙为例,直径约930亿光年的广阔宇宙,光能够瞬间穿梭到边际。虽然我们无法到达光速,但是只要足够接近光速,横穿宇宙也仅需微乎其微的时间,理论上只需要几分钟甚至几秒钟就能到达宇宙边界,这就是时间膨胀效应。
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如果宇宙真的存在边界,那么边界之外又会是什么呢?科学家们基于现有的理论和想象,提出了一些大胆的推测 。
一种广为接受的观点是多重宇宙理论,也被称为多元宇宙或平行宇宙。
该理论认为,我们的宇宙只是众多宇宙中的一个,这些宇宙共同构成了一个更大的 “多重宇宙” 集合 。每个宇宙都有自己独特的物理常数、物理规律,甚至时间箭头的方向也可能不同。在某些宇宙中,光速可能与我们宇宙中的光速不同,引力的强度也可能大相径庭,生命的演化路径更是千差万别。
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这就好比是一个巨大的宇宙 “泡泡浴”,每个泡泡都是一个独立的宇宙,它们在更高维度的空间中相互并存,偶尔可能会发生碰撞或相互影响。目前,虽然还没有直接的观测证据证明多重宇宙的存在,但一些理论模型,如弦理论,为多重宇宙的存在提供了一定的理论支持。弦理论认为,宇宙是由微小的弦状物体构成,这些弦的不同振动模式产生了各种基本粒子和相互作用,而在这个理论框架下,需要额外的维度来解释宇宙的基本规律,这些额外维度的存在为多重宇宙的设想提供了空间 。
膜宇宙假说也是一个备受关注的理论。
该假说认为,我们所处的三维宇宙就像一张悬浮在更高维度空间中的 “膜”,而在这个高维空间中,可能存在着其他的 “膜宇宙” 。这些膜宇宙之间可能通过引力等相互作用产生联系,就像在一个多层的 “宇宙三明治” 中,不同的膜代表着不同的宇宙,它们虽然相互平行,但又存在着微妙的关联。
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例如,引力子可能能够穿越不同的膜宇宙,这或许可以解释为什么引力在我们宇宙中相对其他基本力如此微弱,因为部分引力可能泄漏到了其他膜宇宙中。膜宇宙假说为解决一些宇宙学难题,如暗物质和暗能量的本质问题,提供了新的思路,暗物质和暗能量可能是来自其他膜宇宙的影响,通过引力等方式在我们的宇宙中表现出来 。
还有一种设想认为,宇宙之外可能是一片完全未知的领域,那里的物理规律和我们所熟知的宇宙截然不同。在这个未知领域,时间和空间的概念可能发生根本性的改变。
时间或许不再是单向流动,而是以一种循环或者跳跃的方式存在;空间的维度可能远超我们所认知的三维,甚至可能存在无限多个维度,在这些高维度空间中,物体的运动和相互作用遵循着与我们宇宙完全不同的规则,物质和能量的存在形式也超乎想象,可能存在着我们从未见过的奇异物质,它们具有独特的物理性质,如负质量、超导电性等 。
尽管光速极限看似牢不可破,但科学家们并未放弃对超光速飞行的探索,提出了一些极具想象力的猜想。
其中,曲速引擎是一个备受关注的概念,最早由墨西哥物理学家米盖尔・阿尔库贝利(Miguel Alcubierre)于 1994 年提出。
其原理基于爱因斯坦的广义相对论,通过对时空的扭曲来实现超光速航行 。简单来说,曲速引擎可以使飞船前方的时空收缩,后方的时空膨胀,形成一个 “曲速泡”,飞船在这个时空中就像在一个被压缩的通道中滑行,从而实现超光速移动。
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这种方式巧妙地避开了狭义相对论中对物体速度的限制,因为飞船本身并没有真正地 “超越光速”,而是时空在它周围发生了变形,就好比冲浪者站在浪尖,借助海浪的力量快速前行,自身却相对稳定。
然而,要实现曲速引擎面临着巨大的挑战,其中最主要的是需要大量的 “负能量” 来维持时空的扭曲。目前,负能量的存在仅停留在理论层面,而且根据计算,所需的能量可能比整个宇宙的能量还要多,这使得曲速引擎在可预见的未来难以成为现实。
量子纠缠也为超光速研究提供了另一种思路。
量子纠缠是量子力学中的一种奇特现象,当两个或多个粒子相互纠缠时,它们之间会形成一种特殊的关联,无论它们相隔多远,对其中一个粒子的测量都会瞬间影响到另一个粒子的状态,这种影响的传递速度似乎是超光速的。
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例如,中国科学技术大学潘建伟团队的相关实验,成功实现了千公里级的量子纠缠分发,有力地证明了这种超距作用的存在。但量子纠缠能否用于超光速飞行或通信,目前还存在争议。主流观点认为,虽然量子纠缠的信息传递是瞬间的,但它并不能用于传递经典信息,因为测量结果是随机的,无法按照我们的意愿编码信息,所以不能直接应用于超光速飞行的实际操作。
虫洞穿梭同样是一种充满科幻色彩的超光速设想。
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虫洞又称爱因斯坦-罗森桥,是宇宙中可能存在的连接两个不同时空的狭窄隧道。从理论上讲,虫洞可以将宇宙中相距遥远的两点直接连接起来,就像在一张纸上打了一个洞,原本在纸面上需要长途跋涉才能到达的两个点,通过这个洞可以瞬间抵达。
如果飞船能够找到并进入虫洞,就有可能在极短的时间内跨越巨大的星际距离,实现超光速旅行的效果。不过,虫洞的存在目前还只是一种数学推导,并没有被观测到。而且,即使虫洞存在,它的稳定性也是一个巨大的问题,维持虫洞开放需要具有负能量密度的 “奇异物质”,而这种物质在现实宇宙中是否存在以及如何获取,仍然是未解之谜。

内容来源于联合早报网首页官网,网友投稿

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