光1秒可繞地球7.5圈，那一光年是幾公里？為何說該尺度令人類絕望

光速接近30萬公里，1秒鐘繞地球赤道7.5圈，從地球到月球只需要1.3秒。這個速度已經是宇宙中信息傳遞的極限了，如果讓這道閃電飛一整年，能跑多遠？這個距離，為什么會讓人類感到絕望？

一光年到底有多長？

光速是每秒299792.458公里，我們取整數約30萬公里。一分鐘60秒，光走1800萬公里。一小時3600秒，光走大約10.8億公里。一天86400秒，光走259.2億公里。一年365.25天（考慮閏年），光走的距離是：299792.458 × 60 × 60 × 24 × 365.25 ≈ 9.46萬億公里。

9.46萬億公里，這就是一光年的精確長度。為了讓你對這個數字有點感覺，我換幾種說法。它大約是地球到太陽距離的63000倍，是地球到冥王星最遠距離的1600倍，是旅行者1號探測器46年飛行距離的400多倍。

旅行者1號是人類飛得最遠的人造物體，1977年發射，借助木星和土星的引力彈弓加速，目前速度約為每秒17公里，是步槍子彈速度的20倍。即便如此，它飛了46年，也只走了240億公里左右——不到一光年的四百分之一。如果旅行者1號要飛完一光年的距離，需要大約17500年。

17500年是什么概念？那時候人類還在舊石器時代晚期，尼安德特人剛剛滅絕沒多久，農業還沒發明，文字更是連影子都沒有。換句話說，從人類開始在洞穴里畫壁畫到今天建造空間站的全部歷史，都不夠旅行者1號飛完一光年的零頭。

但這還不是最讓人絕望的。一光年只是天文學家的"基礎單位"，就像我們說米、說公里一樣隨意。離太陽最近的恒星，半人馬座比鄰星，距離我們4.24光年。

銀河系的直徑是10萬光年。仙女座星系距離我們254萬光年。可觀測宇宙的半徑是465億光年。當數字大到這個程度，"公里"這個單位就徹底失去意義了，就像用毫米去丈量地球到月球的距離一樣荒謬。

光速為什么是極限？

你可能會想，光速雖然快，但人類科技在進步啊，蒸汽機時代我們時速幾十公里，現在飛機能上千公里，火箭能到幾萬公里，說不定將來能突破光速呢？

很遺憾，這不是技術問題，而是宇宙的基本規則問題。

1905年，26歲的愛因斯坦發表狹義相對論，提出了一個顛覆性的結論：光速是宇宙中一切信息和物質傳遞速度的絕對上限，任何有質量的物體都不可能達到光速，更不可能超過光速。這不是因為我們的引擎不夠強，而是因為物理定律本身就是這么寫的。

原因在于質量與速度的關系。根據狹義相對論，當物體速度接近光速時，它的相對論質量會急劇增加。在靜止時，一個物體的質量是固定的。

但當它加速到光速的90%時，相對論質量變成靜止質量的2.3倍；加速到99%光速時，質量變成7倍；加速到99.9%光速時，質量變成22倍。要繼續加速，需要的能量就越來越大。當速度無限接近光速時，質量趨向于無窮大，所需能量也趨向于無窮大。

這意味著什么？意味著你永遠無法用有限的能量把一個有質量的物體加速到光速。這不是工程挑戰，這是數學上的不可能。

2008年啟用的大型強子對撞機（LHC）是人類建造的最強大粒子加速器，造價約100億美元，周長27公里，能把質子加速到光速的99.9999991%。

即便投入如此巨大的資源，把一個小到幾乎沒有質量的質子加速到這個程度，它依然沒有達到光速，而且永遠達不到。這不是因為LHC不夠強大，而是因為最后那0.0000009%的差距，從物理學上就無法跨越。

歐洲核子研究中心（CERN）的物理學家曾經做過一個計算：如果要把一艘1噸重的宇宙飛船加速到光速的99.5%，需要的能量相當于全人類目前一年能源消耗的幾千倍。而這還只是99.5%，不是100%。到了100%，需要的能量是無窮大，而這在物理上沒有任何意義。

所以，光速不僅是目前的技術極限，更是永恒的理論極限。這就是愛因斯坦帶給人類的壞消息，宇宙給我們畫了一條紅線，任何人、任何文明、任何技術，都不可能逾越。

以光速旅行會怎樣？

假設有一天，人類真的發明了某種接近光速的飛船，那星際旅行是不是就有希望了？

從某種意義上說，是的，但代價可能比你想象的更詭異。

狹義相對論還有一個著名的推論叫"時間膨脹"。簡單說，當你運動得越快，你的時間流逝就越慢，相對于靜止的觀察者而言。這不是心理感受，而是真實的物理現象。

1971年，物理學家哈菲爾和基廷進行了著名的"環球飛行原子鐘實驗"，他們把高精度的銫原子鐘放在商業客機上繞地球飛行，結果發現飛機上的原子鐘比地面上的慢了幾十納秒，這完全符合相對論的預測。

如果飛船速度達到光速的99.5%，時間膨脹系數大約是10倍。這意味著什么？假設你以這個速度飛往距離地球4.24光年的比鄰星，從地球觀察者的角度，你需要大約4.26年才能到達。但從你自己的角度，你只經歷了大約5個月的時間。

聽起來很美好對吧？飛船上的人只用幾個月就能到達另一顆恒星！但問題在于，地球上的時間并沒有變慢。當你到達比鄰星時，地球已經過去了4年多。

當你再飛回來，地球又過去了4年多。你走的時候，你的孩子可能10歲；你回來的時候只老了1年，可你的孩子已經18歲了（如果你看過星際穿越這部電影，你會更能理解這一點）。

這還只是4光年的短途旅行。如果去更遠的地方呢？假設以99.9999%的光速飛往距離地球2500萬光年的仙女座星系，飛船上的宇航員可能只經歷幾十年的時間，但當他們到達時，地球已經過去了2500萬年。那時候別說他們的家人了，整個人類文明還存不存在都是問題。

1988年，物理學家卡爾·薩根在監制科幻電影《接觸》時，專門請物理學家基普·索恩設計了一種"蟲洞"穿越方案，試圖繞過光速限制。索恩后來因為引力波研究獲得諾貝爾物理學獎，但即便是他，也承認蟲洞目前只是一個數學上的可能性，沒有任何證據表明它真的存在或能被人工創造。

時間膨脹效應說明了一個殘酷的事實，即使我們能造出接近光速的飛船，星際旅行對于"出發的人"和"留在家里的人"來說，意義完全不同。這不是團聚，這是永別。

即便是光速，在宇宙中也是如"蝸牛"一般

我們已經知道了一光年有多長，光速有多快，以及它為什么是極限。但最讓人絕望的，或許是當你把這個速度放到真正的宇宙尺度上時，它看起來有多慢。

太陽光到達地球需要8分20秒。這意味著你現在看到的太陽，其實是8分鐘前的太陽。如果太陽此刻熄滅，你要8分鐘后才會發現天黑了。

光從太陽到達海王星需要4小時。到達冥王星最遠點需要近7小時。僅僅是穿越我們自己的太陽系，光就需要花費大半個工作日。

新視野號探測器2006年發射，2015年才飛掠冥王星，用了9年半。光走同樣的路，只需要幾個小時。但即便是這個速度，放到銀河系的尺度上，也顯得慢得可憐。

銀河系的直徑是10萬光年。這意味著如果你站在銀河系的一端，用最強的激光向另一端發射一束光作為信號，對方需要10萬年后才能收到。如果他們立刻回復，你需要再等10萬年。一來一回20萬年，人類的整個文明史都不夠打一個招呼的。

而銀河系在宇宙中算什么呢？只是一個中等大小的星系而已。可觀測宇宙中有大約2萬億個星系，最遠的那些距離我們超過130億光年。那些星系發出的光，在地球形成之前就已經出發了，飛行了比太陽系年齡還長的時間，今天才剛剛抵達我們的望遠鏡。

2016年，中國"天眼"FAST射電望遠鏡落成，它是世界上最大的單口徑射電望遠鏡，能夠接收極其微弱的無線電信號。但無論它的靈敏度有多高，它收到的任何信號都是"過去"的信號。如果它探測到一顆100光年外的恒星有生命跡象，那也是100年前的情況。那里現在怎么樣了？不知道，得再等100年才能知道。

這就是光速這把"宇宙速度尺"帶給我們的真相，宇宙實在太大了，大到即便是最快的速度，也顯得像蝸牛在爬行。

人類為什么還要仰望星空？

說到這里，可能有人會問：既然光速不可超越，星際旅行幾乎不可能，我們為什么還要研究宇宙？為什么還要發射探測器、建造望遠鏡、尋找外星生命？

在我看來，絕望的反面是敬畏，敬畏的盡頭是好奇。

1990年2月14日，旅行者1號在距離地球64億公里的地方回望了一眼，拍下了著名的"暗淡藍點"照片。在那張照片里，地球只是一個0.12像素的小點，懸浮在一束陽光中。卡爾·薩根看著這張照片寫道："看看那個點。那就是這里。那就是家。那就是我們。"

2017年，NASA宣布在距離地球40光年外的TRAPPIST-1恒星系統發現了7顆類地行星，其中3顆位于宜居帶。40光年，用旅行者1號的速度要飛70萬年，但用人類的好奇心，我們用一臺望遠鏡幾年就"看到"了。我們可能永遠到不了那里，但我們知道那里有什么，這本身就是一種勝利。

正是因為宇宙如此浩瀚，如此不可企及，人類的存在才顯得如此珍貴。我們是目前已知宇宙中唯一能夠理解"光年"這個概念的物種，唯一能夠計算自己有多渺小的物種。這種認知本身，就是一種不可思議的奇跡。