Journey of Galaxy 一光年到底有多遠？

在宇宙學中，有一個簡單的數字會讓你感到渺小 一光年，一光年等於一萬八千年 也等於六十三 零零零次從地球飛往太陽的航程 在腦海中想象這些數字都很難 但讓我們試試吧 作爲對比，《旅行者1號》於1977年發射，已經一直在 穿越太空不間斷飛行近50年，速度爲每秒17公里 比人類建造過的幾乎 所有航天器都快 這意味着四十九年的飛行，只覆蓋了光一天就能走完的距離 11月18日 2026年 人類最遠的航天器預計將達到這一里程碑 在飛越巨型星並進入星際空間後 它飛行的距離仍不足一光年的1% 剩下的距離到底有多大？通常答案 是一個數字，大約5.9萬億英里 這就是光一年走過的距離但 即使加上更多位數 這個差距也幾乎無法想象，還有另一種方式來衡量它 把我們的恆星縮小到能放在這張桌上 其他一切都保持完全相同的比例 代表一光年的標記需要有多遠 2020年 新視野號航天器距離地球 NASA用它拍攝了 幾顆附近恆星的照片 然後奇怪的事發生了 當這些照片與從地球拍攝的照片對比時 兩顆恆星出現在略爲不同的位置 爲什麼？ 因爲照片是從兩個非常不同的位置拍攝的 而這一微小的偏移，讓我們能測量到恆星的距離 六個月裏，我們的星球移動到太陽的另一側 如果你在這個運動前後觀察一顆恆星 它會看起來略微相對於更遙遠的恆星背景發生偏移 偏移越大，恆星就越近 這就是天文學家無需向恆星發射航天器 就能測量距離的方式恆星本身 這把我們引向一個更大的問題 如果我們能測量如此巨大的距離 我們真的能可視化它們嗎？ 讓我們試試，想象把太陽縮小成一顆直徑幾英寸的彈珠 現在把其他一切都按相同比例縮小 地球變成一粒微小的沙子 它距離太陽只有9英尺，海王星 最遠的行星距離約270英尺 大約是一個橄欖球場的長度 但現在，讓我們再進一步 一光年的標記會在哪 107英里，海王星只有270英尺遠 但一光年是 107英里遠 現在你能看出這個比例有多驚人 但有一個問題 沒有任何人造航天器飛過一光年 但我們卻能精確的知道它有多遠 因為我們不需要親自去，我們只需要知道如何測量距離 那這個先發優勢 到底帶它走了多遠 《旅行者1號》於1977年發射 它飛越兩顆巨行星傳回圖像繼續前行 近50年後它正接近距地球一光天的位置 在比例模型上探測器距1英寸 彈珠約1550英尺 一光年的標記仍在起點107英里外 以約38000英里的時速 這艘航天器能從紐約到洛杉磯只需約4分鐘 但如果以這個速度飛完一光年 旅程將需要約 17600年 但這是磁帶還是尖端科技時發射的航天器 如果我們換上最快的航天器呢 帕克太陽探測器速度可達約43萬英里每小時 在近日點時 2026年9月 他再次刷新了這一記錄 以這個速度 同樣的跨洲旅程只需約20秒 這應該能大幅改變局面 確實如此 穿越一光年所需時間 降至約1560年 仍然是很長的任務 還有另一個問題 這個估算給了航天器一個它實際不具備的優勢 它假設破紀錄的速度能貫穿整個旅程 探測器是在向恆星墜落時達到那個速度的 飛越太陽後開始遠離速度又會降下來 這個記錄對應的是軌道上最快的部分 在恆速飛往其他恆星系的旅程中無法維持 所以即使15個世紀的估算也過於樂觀 但爲了比較先保留它 也給我們的航天器足夠的時間 假設它已到達模型上107英里的標記 他最終逃離的是什麼行星肯定 早已遠離旅行者1號穿越的邊界 但圍繞我們恆星的一切呢 這就是逃逸概念變得複雜的地方 你可能聽說旅行者號 2012年就離開了太陽系 但這並不完全正確 我們的恆星不斷向外噴射粒子 在周圍形成巨大氣泡 最終這股氣流會與星際間 的氣體和磁場碰撞 這個邊界被稱為日球層頂 穿越它飛船便進入了星際空間 在我們的1英寸模型中 這次穿越大約發生在 巨大礫石球1100英尺處 日球層的邊緣代表的是周圍氣體性質的變化 並不標誌著圍繞我們恆星運行的一切的終點 引力的範圍要遠得多 天文學家認為在行星之外很遠的地方 存在一片廣闊的冰質天體群稱為奧爾特雲 偶爾其中一個天體會向內移動 以彗星的形式出現 它們運行的軌跡為我們提供了這些天體來源的線索 有些估計認為這片雲的外邊界約在1.5光年之外 這意味著我們的目的地可能就在 仍繞我們恆星運行的冰質天體中 值得注意的是 從未有人 繪製過這片區域的完整的圖 彗星的軌道提供了一些線索 但其外邊界仍不確定 假設我們能在那裡建一個站 如果我們回望 從那個距離看我們的恆星會是什麼樣 我們的家園會是什麼樣 恆星還能清晰看見嗎 還是得用望遠鏡才能探測到 即使在一光年之外 太陽 仍然很容易被發現 它會比我們夜空中任何恆星都更亮，這似乎令人驚訝 因為到達空間站的光強將弱於四十億倍 光向外擴散時到達 每個點的光就越來越少 距離加倍時相機接收的光減少4倍 在一光年的距離上這種衰減變得巨大 然而光源仍然可見，遠處的門廊燈看起來也差不多 從遠處仍很容易發現 儘管在那個距離它已無法照亮周圍的地面 熟悉的光盤將消失，剩下的只是一個明亮的光點 標示著家的方向 但在它旁邊找到我們的行星要難得多 它本身不發出任何可見光，從它反射的太陽光及其微弱 與更亮的恆星相比幾乎不可見 沒有儀器連最小的 藍點都無法辨認 我們不應忘記 望遠鏡向我們展示的一切都已經有一年之久了 同時無線電可以傳遞任何 望遠鏡都無法揭示的消息 一個聲音，一段家庭錄音，一個問題的答案 但那需要多久才能到達 家裡有人在慶祝30歲生日 一條生日祝福從一光年外的空間站發出 等他到達時那個人已經31歲了 他們立刻錄了一段感謝，在花一年才能到達發送者 等消息往返一圈 兩個生日已經過去了 雖然提前一年發送遲到的生日祝福很簡單 問一個意想不到的問題要難得多 更先進的設備能提供更清晰的音頻更銳利的圖像 或傳輸更多消息同時發送 但每次傳輸仍需一年跨越這段距離 還要再一年才能收到回覆 畢竟無線電波和激光束 在真空中的速度相同 當出現問題時這一點就變得更加重要 工程師發送故障報告並請求指示 即使地球團隊立即解決了問題 回覆也需要兩年才能完成往返 然而這個接收三年舊聞的前哨站究竟在哪裡 還不到到最近其他 恆星的四分之一路程 最近的那顆比鄰星，距家約 4.24 光年 在我們英尺模型的比例下，距大理石球約 455 英里 當我們到達空間站時 還有將近 350 英里要走 在一光年處，沒有恆星在等我們，沒有行星，沒有天然邊界 它只是空曠空間中的一個點 那裏，一把想象中的尺子上的 數字，從不到一變成了超過一 第一個真正的目的地要遠得多，比鄰星 比我們的恆星小得多，也暗得多 從地球看，肉眼無法看到它 但它至少有一顆已知行星 天文學家發現它時，是檢測到行星引力輕微拉扯着恆星 使恆星向我們靠近，然後又遠離 這微小的運動每 11 天重複一次，揭示了行星的軌道 這個世界是否有大氣層或液態水，仍未知未知 與此同時，11 月 18 日 旅行者號將穿越這段距離的第一個光日 儘管方向完全不同，走了 49 年纔到這麼遠 一光年還包含另外 364 個光日 在我們的模型中，就是再多 106 英里 這意味着我們可以把一光年放在某個真實的點 也許沿一條公路，跨一個州界 或者也許在某個城市，一個已經有名字的城市 那麼從家出發一光年的距離，究竟會落在哪裏？ 現在讓我們來看看我們對光的瞭解 光是受熱物體輻射能量產生的電磁波，被我們的眼睛感知到 然而，光可能也是一種波 可描述爲 無質量粒子流，或量子光子，光子 光速爲每小時186000英里，在宇宙真空中 它是整個宇宙可能的速度極限 這就是愛因斯坦的 改變我們理解宇宙方式的根本工作所告訴我們的廣義相對論 如果我們用一句話概括這個理論 其核心思想是引力使空間的彎曲 而非作用於所有物體的力 且物理定律同樣適用到處都是 但這跟光有什麼關係呢？ 根據廣義相對論 光速是恆定的 也就是說 它始終保持相同的速度 而且可能是所有現象中最快的 原因是光子沒有質量，而且光不會沿時間線運動 根據廣義相對論和愛 因斯坦的老師赫爾曼 閔可夫斯基的拋物線模型 時間是統一的，也就是說沒有獨立的時間和空間 我們的宇宙有四個維度 三個空間維度 X Y Z 以及一個時間維度 T 既然空間是統一的，其中的一切都是相互關聯的 因此取決於你在時空中的位置 你與時間的和空間的互動方式不同 讓我們用一個簡單的坐標系來想像 它有一條時間軸和空間軸 比如你坐在這裡看這個視頻 你只在時間中運動 你在空間中的位置不變 你沒有任何速度 但如果你決定去商店 那你就會在 時間和空間中同時運動 正是因為時空結構 我們無法同步手錶 因為時間膨脹 科學家在1971年也證明瞭這一點 研究人員將氫原子鐘分別放在飛機上和地面上 然後繞地球飛了一圈著陸後 發現飛機上的時鐘 慢了大約一百萬分之一秒 而光只在空間中運動 它感受不到時間的影響 所以如果我們把時鐘放在光上 它看起來像是靜止的 此外由於光沒有質量 它不受引力影響 但是如果它經過黑洞或恆星附近 更準確地說 是沿著大質量天體附近的時空測地線 它的路徑和能量消耗會增加 並彎曲但它的速度保持不變 所以如果光速是恆定的光子不受時間影響 尤其是在太空中我們如何達到甚至超越它 另一種方式負能量在理論上 可以讓我們進行時間旅行 實際上比光更快的方式是通過愛因斯坦羅森橋及蟲洞 愛因斯坦首先提出了這種隧道存在的想法 從一個地方到空間中的另一個地方 巨型蟲洞可以在巨大的數百萬光年的距離上連接 然而雖然它們尚未被發現 蟲洞非常不穩定可能很快會因負能量而消失 此外它們可能沒有我們想像的那麼寬 而且由於這種能量蟲洞可能太小人無法通過 因此在科學家找到讓蟲洞既穩定 又足夠大的方法確認其存在之前 我們無法用這種方法旅行 最後量子物理提供了一種有趣的假想方式 可以傳輸信息速度超過光速常數 這種超光速方法這種通信被稱為量子糾纏 事實上，量子糾纏是兩個量子不可分割的組合 能夠交換信息，彼此以超光速進行，不受距離限制 粒子通過改變自身的狀態來通信，例如改變自旋或能量 所以在太空長途旅行中 假設宇航員可以發送關於系外行星上可能存在生命的信號 該行星正在研究而這個信號幾乎能瞬間到達控制中心 然而，現實中正是它們的可變性和隨機性 這纔是核心問題 讓超光速信息交換這一概念變得不太可能 量子無法被置於某種特定狀態來傳輸任何數據 因爲那樣，粒子就會斷開與彼此的連接 而狀態未變的粒子會顯示隨機的 結果，所以這種通信方式不可能實現 而且可能甚至無法達到光速 因爲信息不能以超過光速常數的速度傳輸 根據量子力學 以光速甚至更快移動，在太空探索中給我們巨大優勢 目前我們還無法達到這個速度 但曲速引擎和超光速粒子的假設 以及在不同環境中運用超光速之時 可以成爲進一步研究實現光速的重要一步然而 這仍在遙遠的未來，所以我們現在的優先是像是發展技術 之時，使我們在時空研究中的主要目標將是速度