在無數的科幻電影中,光速被描繪成打破星際枷鎖的終極鑰匙,只要飛船開啟“光速引擎”,恒星就會化作一道道流光,人類似乎就能在一瞬間跨越星辰大海,去觸摸那個傳說中的“宇宙邊緣”。
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但現實的物理法則,遠比科幻小說要冷酷得多。
別說你擁有光速飛船,就算你的速度再快上一倍、十倍,你也永遠、永遠無法抵達宇宙的邊緣,你甚至連我們目前能“看”到的大部分星系都飛不到。
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答案既不是陰謀論,也不是物理定律的失效,而是源于一個比光速更龐大、更讓人充滿無力感的宇宙級現象:空間的暴脹。
在討論“能不能飛到邊緣”之前,我們必須先糾正一個人類大腦根深蒂固的錯覺:宇宙的邊緣,到底長什么樣?
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在我們的直覺里,任何東西都有邊界。桌子有邊緣,地球有大氣層邊界,太陽系有奧爾特云。所以我們理所當然地認為,只要一直往一個方向飛,總有一天會遇到一堵極其巨大的“宇宙實體墻”,或者一片徹底空無一物的“絕對虛無”。
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但在現代宇宙學中,宇宙沒有中心,也沒有這樣一個像磚墻一樣的物理“邊緣”。
科學家通常把宇宙分為兩個概念:
第一是可觀測宇宙,這是我們能“看”到的極限,因為光速是有限的,宇宙的年齡也是有限的。光在 138 億年里能跑多遠,我們就只能看到多遠。以地球為中心,目前可觀測宇宙的半徑大約是 465 億光年,在這個球體之外發出的光,至今還沒來得及跑到地球上,所以對我們來說,它們是“不可見”的。
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第二才是整個宇宙,這是包含可觀測宇宙在內的絕對全貌。
那么整個宇宙到底是什么形狀?
目前天文學界通過測量宇宙微波背景輻射,得出的主流結論是:宇宙極大概率是“平坦的”,并且是無限大的,這就意味著,如果你能無視時間瞬間移動,當你飛出 465 億光年的可觀測宇宙后,你看到的依然是無盡的星系、無盡的星云。
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就算我們把目標定得低一點:不去尋找絕對的盡頭,我們只試圖飛到目前我們能看到的“可觀測宇宙的邊緣”,也是做不到的。
因為宇宙時空在膨脹,而且是超光速加速膨脹。
早在1929年,天文學家埃德溫·哈勃就宇宙中幾乎所有的星系,都在離我們遠去,而且一個星系距離我們越遠,它逃離我們的速度就越快,而且這不是星系在空間中移動,而是“空間本身”在不斷地膨脹。
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這就帶來了一個極其致命的后果:當你駕駛著光速飛船,試圖飛向一個距離你 100 億光年外的星系時,你和那個星系之間的空間,正在以不可思議的速度拉伸、膨脹。
你就像是在一臺履帶正在極速向后倒退的跑步機上跑步。你的速度是光速,但如果你腳下的空間向后退的速度比光速還快,你不僅永遠到不了終點,你甚至在不斷地后退!
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因為空間不是一種具有質量的實體,它不受相對論速度極限的約束,空間可以以極其緩慢的速度膨脹,也可以以千萬倍于光速的速度暴脹,根據哈勃常數的最新測量值,在距離地球大約 144 億光年 的地方,那里空間膨脹的累積速度,剛好等于光速。
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天文學家把這個球面界限稱為“哈勃視界”,任何位于哈勃視界之外的星系,它們相對于我們的退行速度,已經超過了光速!
現在,讓我們把極其絕望的物理學推向高潮,來模擬一次真實的光速旅行。
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假設今天,你坐上了一艘速度完美達到 100% 光速的飛船,你的目標是目前可觀測宇宙邊緣,距離我們 465 億光年的一個遠古星系。
你的速度極快,一秒鐘就能繞地球七圈半,但是因為目標星系距離你 465 億光年,它所在位置的空間膨脹速度,大約是光速的 3 倍多,這意味著,你每向著目標前進 1 步,目標所在的星系就被空間向后拉扯退了 3 步。
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這是一場從一開始就注定失敗的悲劇追逐。不管你飛多長時間,你和那個星系之間的距離不僅沒有縮短,反而在不斷增加。
不僅如此,科學家發現由于一種神秘的“暗能量”在作祟,我們宇宙的膨脹不是勻速的,而是加速膨脹的,這就意味著,不僅遠處的星系在超光速逃離,而且逃離的速度還會越來越快,由于這種加速膨脹的存在,天文學家計算出了一個令人窒息的宇宙事件視界。
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目前的宇宙事件視界大約在距離地球 160 億光年 的地方,任何今天位于距離我們 160 億光年之外的星系,無論它們發出多亮的光,無論你駕駛多快的飛船向它們飛去,這束光或這艘飛船,都永遠無法跨越不斷加速膨脹的空間。
它們與我們之間,存在著一道無法逾越的因果律鴻溝。
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目前在我們能“看”到的可觀測宇宙中,包含著大約兩萬億個星系。但令人脊背發涼的真相是:其中高達 94% 的星系,已經越過了我們的宇宙事件視界,我們現在還能看到它們,僅僅是因為它們在幾十億年前發出的光剛剛抵達地球,而它們“現在”的本體,已經以超光速被拋到了我們永遠無法觸及的深淵。
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即便你從現在開始以光速追趕,你也只能追到那可憐的 6% 的星系。
隨著時間的推移,宇宙的加速膨脹會越來越狂暴,在極其遙遠的未來,所有的本星系群之外的星系,都會加速退行到光速以上,從我們的視野中徹底消失。
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到那時,如果地球上還有后代天文學家,他們仰望星空時,將看不到銀河系之外的任何星系。宇宙的微波背景輻射也會被拉伸到無法探測的程度。
未來的智慧生命會認為,整個宇宙就只有銀河系和仙女座星系這么大,外面只有絕對的、無盡的黑暗虛空。
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所以為什么天文學家認為我們到不了宇宙的邊緣?
因為宇宙根本不允許我們靠近。
我們在物理上,被光速的上限死死地鎖死了,而在宏觀尺度上,又被空間加速膨脹的“星系跑步機”無情地向后拖拽,所謂的“飛向宇宙邊緣”,就像是一個在不斷擴張的沙漠中,試圖用腳走到海市蜃樓的口渴旅人。
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聽到這里,你可能會感到一種深深的無力感和宇宙幽閉恐懼癥,人類被大自然死死地鎖在了銀河系這片極小的“宇宙孤島”上。
但這,恰恰是物理學最迷人的地方。
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雖然我們的肉體和飛船永遠無法抵達宇宙的邊緣,但我們憑借極其微小的大腦,憑借望遠鏡捕捉到的那幾束微弱的古老光芒,竟然在紙上用數學公式,極其精準地推演出了那個我們永遠無法抵達的邊界的運作法則。
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肉體被禁錮在幾萬光年的孤島上,思想卻早已經測量了整個宇宙的維度,我們飛不到宇宙的盡頭,但我們正在理解它,對于渺小的人類而言,這已經是宇宙能給予我們的最高級別的浪漫。
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