如果以光速飞行,我们能飞到465亿光年外的宇宙边缘吗?

当人类通过肉眼遥望夜空时,所能看到最远的地方只是银河系中的一小部分。就算是在最近十几年,人类掌握了先进的宇宙知识,宇宙还是一如既往的令人惊叹。我们时常幻想,飞到宇宙的边缘现实吗?

宇宙的大小

当人类想要近距离观察天空时,望远镜就被发明了,从那时起,我们对太空的迷恋更是有增无减。当口径更大的望远镜被建造来时,我们可以更深入地观察,直到数百万乃至数千万光年之外的河外星系。但这还不够,更为强大的望远镜,比如哈勃太空望远镜和詹姆斯?韦伯太空望远镜相继问世,它们能把我们的目光带向宇宙的边缘,带向宇宙的最初时空。

现在我们知道可视宇宙包含了物质,星系和在地球上就能看到的现象。自从宇宙开始膨胀,在太空中发生的很多事件反射的光和信号都能到达地球。我们已经有能力探测到大约140亿光年之外的光,这就是我们如何知道大爆炸大约发生在很久以前的事情。

我们已经能够观测到宇宙最早阶段的光——来自138亿年前的宇宙微波背景辐射。由于宇宙空间一直在不断膨胀,所以那些最古老的宇宙物质已经退行到宇宙边缘,大约距离我们465亿光年。换言之,我们的可观测宇宙直径约为930亿光年。那么,如果我们以光速朝向宇宙边缘飞行,我们能到达那里吗?

神秘的宇宙边界

根据狭义相对论,任何东西的局域运动速度都不会超过光速,只有引力波以及包括光子在内的没有静止质量的粒子才能在真空中以光速运动。光速是一个宇宙普适常数,每秒传播大约3亿米。由于宇宙空间的膨胀,导致遥远星系以很快的速度在远离我们,对于目前距离我们超过140亿光年的星系,它们远离我们而去的速度比光速更快,这似乎打破了光速不可超越的原理。不过,这种超光速现象是由星系之间的空间扩张导致的,星系本身在宇宙中的局域运动速度并没比光速更快,所以并不矛盾。

因此,想要接触到宇宙边界就需要一艘速度尽可能接近光速的飞船,比如达到光速的99.9999999999999999745%。不幸的是,因为宇宙的膨胀速度超过了光速,也就是说理论上我们永远也无法到达宇宙的边界,宇宙空间膨胀的速度总是比我们朝它移动的速度要快。

太空旅行者可以在这场旅行中幸存下来吗?

现在我们知道,就算是以光速去接近宇宙边界也需要花费几十亿年的时间。人类只是凡胎肉体,想要在这场旅行中存活下来是不可能的吗?

然而,根据狭义相对论,在不同参照系中的观察者看来,时间和空间是不同的,如果我们在地球上测得速度达到光速99.9999999999999999745%的宇宙飞船所飞行的时间为Δt,宇宙飞船上的观察者所测得的飞行时间为ΔT,那么,这两个时间之间存在以下关系:

其中v是宇宙飞船的速度,c是光速。

我们在地球上会认为飞船飞到距离我们140亿光年之外的地方所需的时间大约为140亿年,但飞船上的观察者所认为的飞行时间仅为:ΔT=140×10^8×√(1-0.999999999999999999745^2)年≈10年。也就说,以如此接近光速的速度运动,飞船上认为飞行140亿光年所需的时间为10年。这是因为狭义相对论的尺缩钟慢效应,我们在地球上所认为的140亿光年,在飞船上的观测者看来仅为10光年,所以飞行时间只需10年左右。但无论怎样,这艘宇宙飞船都无法到达宇宙的边界,除非借助虫洞。