光速,一道不可逾越的屏障,在人类认知的宇宙中刻下难以磨灭的痕迹。
我们必须重申这一事实:任何实体,包括我们人类,都无法触及光速的极限。这是相对论中光速不变原理对我们设置的限制(除非该原理被证伪,但迄今为止它依然屹立不倒)。狭义相对论便是建立在这一原理以及相对性原理之上,其若干推论和公式清晰地反映了这一限制,例如著名的质能关系公式:
(公式中的m代表物体运动中的质量,m0为其静止质量,V是物体的速度,C指光速;若m0不为零,且V逼近C,则公式中的分母根式趋近于零,进而m趋近于无穷大)。尽管公式未直接限制物体速度,但速度一旦靠近光速,其质量就会趋于无穷,意味着推动此一质量所需的能量也将是无穷的。若宇宙能量有限,整个宇宙的能量加总也不足以推动,这便成了物体达不到光速的壁垒。光速已是极限,超光速的讨论便无从谈起。
现如今,唯有光本身能够达到光速(以及引力波),恰因其静质量为零,与相对论质能公式并无冲突。因此,将问题改为“光横越银河的耗时:是十万年还是瞬息之间?”似乎更为恰当。若非要将人类加速至光速,那么在那个瞬间,人类便脱离了常规时空,转而成为光的形态,终究还是光在穿越银盘。至于问题中提到的十万年银河直径,实际上是过时的数据,最新研究表明是十八万年,且这一发现来自我国。但问题的焦点并不在于具体年数。现在,让我们回到问题本身来探讨一下。
光穿越银河需要多久?十八万年还是一瞬间?答案是这样的:对光本身或以光速移动的观察者而言,时间是零;而对与地球或银河相对静止的观察者来说,则需十八万年(若沿着银盘的水平方向穿越)。相对论告诉我们,时间具有相对性。物体运动越快,其时间流逝就越慢。对于动体本身可能难以察觉,但对于静止的观察者来说,会发现动体的时间变慢了,这便是“钟慢尺缩”效应。时间膨胀公式如下:
(公式中△t′代表动体的时间间隔,而△t是静止观察者的时间间隔,V为动体速度,C为光速)。当物体速度V逼近光速,根式趋近于零,导致△t′亦趋近于零,即时间膨胀。根据公式,若V等于C,则△t′为零,意味着速度达到光速时,时间静止。
假设这光速运动的物体为一人,对他而言,可能尚未意识到已穿越银河,一切便已成过去,时间甚至空间都不复存在。“他”当然依旧存在,因为我们无法用已知原理排除他以某种未知方式存在的可能性。
对于地球的观察者来说,这人可能在进行数十万年、乃至数百亿年的漫长旅程。而穿越银河系的时间,按照银道平面穿越计算需十八万年。若垂直于银道面通过银心,则仅需一万二千年,因为银心的厚度大约为此数。
以上是假设人类以光速穿越银河的回答,但实际上人类目前无法达到光速,不过未来人类借助亚光速旅行穿越银河,倒是极为可能。
下面我们来回答,人类以亚光速穿越银河需要多久,以及可能采取的方法。
为简化讨论,我们仅考虑沿着银道面的水平穿越。在亚光速移动的人看来,地球观察者所见的十八万光年银河直径会因钟慢尺缩效应而缩短。尺缩公式如下:
(公式中L表示亚光速移动观察者所见的银河直径,L0为地球观察者所见直径,即十八万光年,亦即1.89x10的21次方公里;V是移动速度,C是光速。当V趋近C时,根式趋近于零,导致L亦趋近于零。当V为0.8C时,L约为10.8万光年,所需时间△t则约为13.5万年;而当V为光速的0.99999999倍时,L缩至约25.45光年,所需时间则缩短至约25.46年。这意味着,以如此速度飞行的人仅需25.46年即可穿越银河,但对于地球人来说,已经过了十八万多年。
当然,若未来人类掌握了“虫洞”技术或曲速引擎技术,星际旅行将变得司空见惯。虫洞的概念由爱因斯坦在1936年提出,它利用空间折叠技术,将两个遥远的空间连接起来,从而实现瞬间转移和时空旅行。因为走的是捷径,并非真正的超光速,所以并不违反光速不变原理。
至于曲速旅行,则是利用反物质驱动的曲速引擎,在运动物体周围创造一个人工曲力场,通过压缩前方时空、膨胀后方时空形成一个“时空泡”,使得物体得以在该泡内以数倍光速移动。因为仅仅是对时空的压缩,所以也不是真正的超光速。
这两种穿越银河的方式,无论是对飞行中的人还是对地球人而言,所需时间都不是很长。若未来这些技术成熟,它们必将成为人类星际旅行的首选方式,使得穿越银河之旅变得像城市间旅行那般便捷快速。据说现在有人在搜寻银河系的虫洞,让我们共同期待这一天的到来。