如何用30年的时间飞行470亿光年的距离?

从我们的固有认知看来,即便以光速运动,在短短数十年里,也只能飞到数十光年之外。那么,想要在短时间内飞出银河系是否就不可能了呢?事实并非如此,人类可以利用相对论效应在有生之年内实现星际旅行。这个取决于加速度。人类是非常脆弱的生物,无法承受太大的加速度。如果长时间承受大于1g的加速度,人类的身体就会出现各种健康隐患。如果超过10g,则很有可能会导致死亡。

如果想要去探索外太空,我们在前半段需要加速,而在后半段需要减速。虽然我们所能承受的加速度不大,但通过相对论的时间膨胀效应,我们可以实现星际旅行。根据狭义相对论,当飞船的速度接近光速时,宇宙飞船的内部时间会变慢,这样我们就能在有限的时间内飞到遥远的地方。

假如宇宙飞船的加速度为1.5g,在前半程以这样的加速度加速,而在后半程用同样大小的加速度减速。我们可以得到如下的数据:

由此可以看来,想要到达50光年之外的地方,相对论具有巨大优势的。超过1000光年的地方,这种效应更为显著。理论上,以1.5g的加速度,在有生之年内,飞船可以飞出银河系,去往遥远的河外星系。并且只需大约30年的时间,飞船就能穿越整个可见的宇宙空间,到达470亿光年之外的宇宙尽头。

不过,这种星际旅行很难实现,摆在面前的有两大问题。

第一,当太空旅行者返回地球后,地球上早已是沧海桑田。例如,以1.5g的加速度,飞到猎户座的参宿四再返回地球,飞船上的人只会经历18年的时间,而当飞船返回地球时,他们来到的是1300年后的未来地球。

第二,这是一个更直接、更实际的问题。为了使飞船加速到足够高的速度,需要巨大的能量。例如,飞到蟹状星云需要每千克飞船有7×10^20 J的能量供给,才能达到预期的加速度。虽然宇宙中不缺能量,但我们实际很难获得。太阳每秒释放出的能量为3×10^26 J,所以理论上,只需收集数秒的太阳能量,就能使一艘相当大的宇宙飞船达到理想速度。当然,我们距离实现这一步还有很长的路要走。