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(jīng)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(yuǎn)？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?nèi)≌麛?shù)約30萬公里。一分鐘60秒，光走1800萬公里。一小時(shí)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(shù)字有點(diǎn)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(yuǎn)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(yuǎn)的人造物體，1977年發(fā)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(shí)候人類還在舊石器時(shí)代晚期，尼安德特人剛剛滅絕沒多久，農(nóng)業(yè)還沒發(fā)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(xué)家的"基礎(chǔ)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(dāng)數(shù)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(jìn)步啊，蒸汽機(jī)時(shí)代我們時(shí)速幾十公里，現(xiàn)在飛機(jī)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(shù)問題，而是宇宙的基本規(guī)則問題。

1905年，26歲的愛因斯坦發(fā)表狹義相對論，提出了一個顛覆性的結(jié)論：光速是宇宙中一切信息和物質(zhì)傳遞速度的絕對上限，任何有質(zhì)量的物體都不可能達(dá)到光速，更不可能超過光速。這不是因?yàn)槲覀兊囊娌粔驈?qiáng)，而是因?yàn)槲锢矶杀旧砭褪沁@么寫的。

原因在于質(zhì)量與速度的關(guān)系。根據(jù)狹義相對論，當(dāng)物體速度接近光速時(shí)，它的相對論質(zhì)量會急劇增加。在靜止時(shí)，一個物體的質(zhì)量是固定的。

但當(dāng)它加速到光速的90%時(shí)，相對論質(zhì)量變成靜止質(zhì)量的2.3倍；加速到99%光速時(shí)，質(zhì)量變成7倍；加速到99.9%光速時(shí)，質(zhì)量變成22倍。要繼續(xù)加速，需要的能量就越來越大。當(dāng)速度無限接近光速時(shí)，質(zhì)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(yuǎn)無法用有限的能量把一個有質(zhì)量的物體加速到光速。這不是工程挑戰(zhàn)，這是數(shù)學(xué)上的不可能。

2008年啟用的大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）是人類建造的最強(qiáng)大粒子加速器，造價(jià)約100億美元，周長27公里，能把質(zhì)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(zhì)量的質(zhì)子加速到這個程度，它依然沒有達(dá)到光速，而且永遠(yuǎn)達(dá)不到。這不是因?yàn)長HC不夠強(qiáng)大，而是因?yàn)樽詈竽?.0000009%的差距，從物理學(xué)上就無法跨越。

歐洲核子研究中心（CERN）的物理學(xué)家曾經(jīng)做過一個計(jì)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(dāng)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(shù)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(shù)，都不可能逾越。

以光速旅行會怎樣？

假設(shè)有一天，人類真的發(fā)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(jià)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(shí)間膨脹"。簡單說，當(dāng)你運(yùn)動得越快，你的時(shí)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(shí)的物理現(xiàn)象。

1971年，物理學(xué)家哈菲爾和基廷進(jìn)行了著名的"環(huán)球飛行原子鐘實(shí)驗(yàn)"，他們把高精度的銫原子鐘放在商業(yè)客機(jī)上繞地球飛行，結(jié)果發(fā)現(xiàn)飛機(jī)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(yù)測。

如果飛船速度達(dá)到光速的99.5%，時(shí)間膨脹系數(shù)大約是10倍。這意味著什么？假設(shè)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(dá)。但從你自己的角度，你只經(jīng)歷了大約5個月的時(shí)間。

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

當(dāng)你再飛回來，地球又過去了4年多。你走的時(shí)候，你的孩子可能10歲；你回來的時(shí)候只老了1年，可你的孩子已經(jīng)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(diǎn)）。

這還只是4光年的短途旅行。如果去更遠(yuǎn)的地方呢？假設(shè)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(jīng)歷幾十年的時(shí)間，但當(dāng)他們到達(dá)時(shí)，地球已經(jīng)過去了2500萬年。那時(shí)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(xué)家卡爾·薩根在監(jiān)制科幻電影《接觸》時(shí)，專門請物理學(xué)家基普·索恩設(shè)計(jì)了一種"蟲洞"穿越方案，試圖繞過光速限制。索恩后來因?yàn)橐Σㄑ芯揩@得諾貝爾物理學(xué)獎，但即便是他，也承認(rèn)蟲洞目前只是一個數(shù)學(xué)上的可能性，沒有任何證據(jù)表明它真的存在或能被人工創(chuàng)造。

時(shí)間膨脹效應(yīng)說明了一個殘酷的事實(shí)，即使我們能造出接近光速的飛船，星際旅行對于"出發(fā)的人"和"留在家里的人"來說，意義完全不同。這不是團(tuán)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(jīng)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(dāng)你把這個速度放到真正的宇宙尺度上時(shí)，它看起來有多慢。

太陽光到達(dá)地球需要8分20秒。這意味著你現(xiàn)在看到的太陽，其實(shí)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(fā)現(xiàn)天黑了。

光從太陽到達(dá)海王星需要4小時(shí)。到達(dá)冥王星最遠(yuǎn)點(diǎn)需要近7小時(shí)。僅僅是穿越我們自己的太陽系，光就需要花費(fèi)大半個工作日。

新視野號探測器2006年發(fā)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(shí)。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(qiáng)的激光向另一端發(fā)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(fù)，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(yuǎn)的那些距離我們超過130億光年。那些星系發(fā)出的光，在地球形成之前就已經(jīng)出發(fā)了，飛行了比太陽系年齡還長的時(shí)間，今天才剛剛抵達(dá)我們的望遠(yuǎn)鏡。

2016年，中國"天眼"FAST射電望遠(yuǎn)鏡落成，它是世界上最大的單口徑射電望遠(yuǎn)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(xiàn)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(shí)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?yōu)槭裁催€要研究宇宙？為什么還要發(fā)射探測器、建造望遠(yuǎn)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(lán)點(diǎn)"照片。在那張照片里，地球只是一個0.12像素的小點(diǎn)，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(diǎn)。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(tǒng)發(fā)現(xiàn)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(yuǎn)鏡幾年就"看到"了。我們可能永遠(yuǎn)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?yàn)橛钪嫒绱撕棋绱瞬豢善蠹埃祟惖拇嬖诓棚@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(jì)算自己有多渺小的物種。這種認(rèn)知本身，就是一種不可思議的奇跡。