一光年有多远:旅行者一号要飞3万年,光子不需要时间?
在和天文学相关的一系列距离单位中,我们最常听到的是天文单位和光年。
其中天文单位是指地球到太阳的距离,约为1.5亿公里,一般用于描述太阳系内天体之间的距离。
比如地球到火星最远的时候有4亿公里,可以表述成2.6个天文单位,距离木星7.8亿公里,也就是5.2个天文单位。
而光年虽然带了一个年字,但实际上却是一个距离单位,表达的是光子在真空中飞行一年所经过的距离长度,也就是30万公里乘以31556952秒,最后算出来的一光年的距离长度为94607亿公里,9.46万亿公里。
如此遥远的距离,一般用来描述太阳系外天体与地球的距离,比如距离我们最近的恒星,是4.22光年外的比邻星,距离我们最近的星系,是250万光年外的仙女座星系。
有趣的是,经过天文学家们的测算,我们太阳系的半径也刚好是1光年,所以说早在1977年就发射升空的旅行者一号探测器,虽然已经飞出了太阳系日球层边界,但想真正飞出太阳的引力有效范围,还得再飞至少3万年才行。
而太阳系,只是宇宙中一个小水洼罢了
从哈勃望远镜在2012年拍摄到的哈勃极深场里,天文学家发现了一万多个星系,其中最远的距离地球133亿光年,这些直径在数万光年到数十万光年的巨无霸,是远比太阳系这种直径两光年的小喽啰更宏大到存在。
但它们和可观测宇宙比起来,又算不了什么
宇宙学家们结合最新的哈勃常数,计算出了可观测宇宙的半径是465亿光年,直径是930亿光年,大致是一个以地球为圆心,465亿光年为半径的球形结构。
单从数字上来看,光从可观测宇宙的一端飞到另一端,需要930亿年的时间,但事实上并非如此,真实情况是,光子不论是飞1光年还是飞930亿光年,都不需要时间,在它们的世界里不论再远的地方,都能瞬间到达。
造成这种反直觉现象的原因,在于时间膨胀
在爱因斯坦于1905年发表的狭义相对论中,时间的流逝速度会随着物体的运动速度而变慢,简而言之就是你跑得越快,你老的就越慢,如果驾驶一艘近光速飞船绕地球飞1年的话,等你再回到地球后,地球上就会过去几百年甚至几千年,而你只老了一岁。
根据时间膨胀公式,如果物体的运动速度达到了光速,那么时间对这个物体而言就是静止状态,因此对于宇宙中唯一能真正达到光速的光子们来说,虽然可观测宇宙的半径达到了465亿光年,但由于时间对它们而言是静止的,所以在它们的感觉里,自己可以在瞬间到达宇宙中任何一个地方。
如果未来人类真的发明出了光速飞船,那么当飞船的速度达到光速的99.999985%时,飞船上每过24小时,地球上就会过去5年,当飞船速度达到光速的99.99999996247%,飞船上的一天,就是地球上的100年。
所以说人类是完全可以在有生之年飞到数十亿光年,甚至数百亿光年远的地方的,只要飞船的速度足够接近光速就行。
唯一的问题就是,由于地球本身的运动速度还处于低光速阶段,所以光速飞船的驾驶员们返回地球后,地球肯定已经大变样了,他们的亲戚朋友老婆孩子,很可能已经去世几千年甚至几万年了,甚至地球上还有没有人都不好说。
总之
宇宙虽然很大,但依靠近光速飞行时的时间膨胀效应,人类个体还是有机会遨游全宇宙的,而对于光子们来说,宇宙的大小是没有意义的,它们能在瞬间到达亿万光年外。
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