如果不考慮速度的限制,超光速飛行,是否能夠到達宇宙邊緣?

2020-10-07 科學信仰


廣袤的宇宙充滿了無邊的奧秘,而不斷探索宇宙的奧秘是人類文明發展的必經過程。

對於探索宇宙這件事而言,速度可以說是最大的障礙了,因為宇宙太大了,如果沒有足夠的速度,那麼一切可能都只是空談,或者說我們永遠都只能了解有限的宇宙空間。我們假設了一個包圍著太陽系的球體雲團,其中布滿了彗星,我們將其稱之為奧爾特星雲

如果以奧爾特星雲作為太陽系邊界的話,那麼太陽系的直徑大約達到了兩光年。兩光年在宇宙的尺度上很是微不足道,但對於人類而言已經足夠長了,人類迄今為止最快的飛行器是新視野號,它在飛躍木星後已經達到了每秒21公裡左右的高速,然而如果讓新視野號飛行一光年去往奧爾特星雲,那麼大約需要15000年左右的時間。


一萬多年的時間只是離開了半徑為一光年的太陽系,如果想要離開直徑達到了10萬光年以上的銀河系,那簡直就是天方夜譚了。

即使人類在未來能夠實現光速飛行,那麼離開銀河系也要花費數萬年的時間,而在銀河系之外是半徑達到465億光年的可觀測宇宙。更何況光速飛行在理論上是無法實現的,因為具有靜止質量的物體在加速到光速的時候,慣性質量會趨近於無窮大,所需要的能量也趨近於無窮大,而宇宙中根本沒有無窮大的能量。

而沒有靜止質量的物體可以且只能以光速運動,比如光子。而即使是光也無法到達宇宙的所有區域,因為宇宙從誕生開始就一直處於膨脹之中,而在宇宙的邊緣,膨脹的速度已經遠超光速。既然光速最快,為什麼宇宙膨脹的速度可以超越光速呢?


光速最快指的是系統內部具有信息傳遞的運動速度,而宇宙膨脹是空間本身的膨脹,且沒有信息的傳遞,不受光速最快的制約。

既然速度是人類進行宇宙探索的最大障礙,那麼現在我們就暫且將這個障礙移除,思考一下,如果不受速度的制約,如果人類能夠以遠超光速的速度飛行,那麼是否能夠到達宇宙的邊緣呢?這裡就引出了一個問題,那就是宇宙到底有沒有邊緣。

沒有人見識過宇宙的真實面貌,我們對於宇宙的了解只限於理論模型,當前關於宇宙的幾何模型主要有三個,第一種就是扁平型的,這種模型下的宇宙,空間是平直的,四周是開放的,換句話說,它是無限的。對於無限的空間而言,速度是沒有意義的,因為無論速度多快,也不可能到達一個無限空間的邊緣。


第二種宇宙模型是馬鞍形的,馬鞍形宇宙的空間並不是平直的,它擁有曲率,但與扁平型的宇宙模型一樣,它同樣是開放形式的,也就是說它同樣也是無限的,如果宇宙是這個樣子的,我們一樣無法到達宇宙的邊緣。

第三種宇宙模型與前兩種截然不同,它是封閉的,它擁有時空曲率,它是有限的。不過有限並不等於就有界。為了便於理解這種有限無界的狀態,我們可以回想一下我們的地球,在現代科學誕生之前,地球對於人類而言就是這樣的一種狀態。地球顯然是一個有限的空間,但是並沒有邊界,無論你跑得多快,也不可能離開地球,如果你一直向一個方向前進,那麼最終必然會回到原點。而封閉型的宇宙模型也是這個樣子的,你無法找到宇宙的邊界,而且由於時空曲率的存在,最終你會回到原點。


理論上的三種宇宙模型截然不同,但有一點卻是相同的,就是在這三種宇宙模型之中,我們都無法找到宇宙的邊界,這與我們的速度並無關係。

對於無限的宇宙,很多人可能還是很難理解,那麼我們可以嘗試一種便於理解的表述,那就是在宇宙的邊緣沒有空間,那裡是一種混沌的狀態,而速度依賴於空間,沒有空間速度便沒有意義,所以陷入混沌之後,速度就失去了意義,因此我們永遠也無法到達宇宙的邊緣。當然,這些都是理論上關於宇宙的假設,而面對宇宙,有的時候我們只能假設,因為我們可能永遠沒有機會去驗證它,我們的一切觀測都要依賴於光,而宇宙邊緣的膨脹速度超越光速,所以宇宙邊緣的光永遠無法追上我們退行的速度,所以可觀測宇宙之外的世界對於我們而言可能永遠都是一個謎。

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