深度科普：假如10億倍光速一直飛行，能到達宇宙邊界嗎？

根據目前被廣泛接受的物理學理論，尤其是愛因斯坦的狹義相對論，光速是宇宙中物質運動速度的上限，真空中的光速約為 299792458 米 / 秒 ，這一速度是不可超越的，10 億倍光速的飛行目前只能存在于想象之中。

相對論的光速不變原理指出，光在真空中的傳播速度對于任何參考系都是恒定不變的，與觀察者和光源的運動狀態(tài)毫無關聯，也不存在任何特殊的參考系。這就意味著，無論一個物體的運動速度有多快，光相對于它的速度始終保持光速不變。

舉個例子來說，即使一艘飛船以接近光速的速度飛行，在飛船上發(fā)出的光，對于飛船內的觀察者和地球上靜止的觀察者而言，其速度依然是光速，而不會因為飛船的高速運動而疊加飛船的速度。

從質能方程 E=mc2 可以得知，當物體的速度接近光速時，其質量會趨向于無窮大。

要讓一個質量無窮大的物體繼續(xù)加速，就需要無窮多的能量，而這在現實中是根本無法實現的。這就如同讓一輛汽車不斷加速，隨著速度越來越快，所需的能量也會越來越多，當接近光速時，所需能量將變得超乎想象的巨大，直至無窮。

此外，在現實世界里，也不存在絕對剛體。例如，當我們設想一根無限長的棒子，使其繞一端旋轉，理論上另一端的速度會無窮大從而超光速，但實際上，棒子在受力時必定會產生形變，這一過程的傳遞速度實際上就是固體內部的音速傳播數值，利用應力波傳遞信息，除非是剛體，否則不可能超越光速。

要探討以 10 億倍光速飛行能否到達宇宙邊界，我們首先得了解宇宙的大小。

目前，關于宇宙大小的主流理論是宇宙大爆炸理論。

這一理論認為，宇宙源于 138.2 億年前的一次奇點大爆炸 。在爆炸之前，宇宙處于一個溫度極高、密度極大、體積極小的奇點狀態(tài)，所有的物質和能量都被壓縮在這個奇點之中，時間和空間也起始于這次爆炸。大爆炸發(fā)生后，宇宙開始了急劇的膨脹與降溫過程，各種基本粒子逐漸形成，隨后原子、分子、星云、恒星、星系等天體相繼誕生，逐步演化成了我們如今所看到的宇宙。

基于宇宙大爆炸理論和對宇宙微波背景輻射等的觀測研究，科學家們推算出了可觀測宇宙的大小。可觀測宇宙是指以地球為中心，我們目前能夠觀測到的宇宙范圍，其半徑約為 465 億光年 ，直徑約 930 億光年。

這個范圍內包含了數以千億計的星系，每個星系又包含著海量的恒星、行星、衛(wèi)星等天體。例如，我們所處的銀河系，直徑約為 10 - 20 萬光年，包含了大約 1000 - 4000 億顆恒星 。而在可觀測宇宙中，像銀河系這樣的星系可能多達數千億個。

然而，可觀測宇宙僅僅是宇宙的一小部分。由于宇宙在不斷膨脹，且膨脹速度超過了光速（這里指的是空間的膨脹速度，并不違反物質運動速度不能超過光速的理論），距離我們非常遙遠的星系發(fā)出的光，在可預見的時間內永遠無法到達地球，這些區(qū)域構成了不可觀測宇宙。至于宇宙的實際大小，目前仍然是一個未解之謎。

有科學家推測，宇宙可能是無限大的，在我們可觀測宇宙之外，還有無盡的空間和物質，宇宙沒有盡頭，一直延伸至無窮遠處；也有觀點認為，宇宙是有限但無邊界的，就如同地球的表面，從地球表面的任何一點出發(fā)，一直向前走，永遠也找不到邊界，但地球的表面積卻是有限的。

宇宙可能類似于一個三維的 “超球體”，我們在宇宙中無論朝著哪個方向前進，最終都可能回到原點，只是這個 “超球體” 的尺度極其巨大，遠遠超出了我們的想象。

假設我們突破了物理學的限制，真的擁有了以 10 億倍光速飛行的能力，那么朝著一個方向一直飛行，是否就能抵達宇宙邊界呢？答案是否定的，原因與宇宙的形狀密切相關。根據廣義相對論，宇宙時空并非是絕對平坦的，而是彎曲的，宇宙中不存在絕對平直的方向，任何方向的指向軌跡都是沿著彎曲時空的 “測地線”，光線的軌跡也不例外。

目前，關于宇宙的形狀，科學界主要有三種主流觀點，分別是平坦的、馬鞍形（開放型）和封閉球形（閉合型） ，但至今仍未有定論。

在平坦的宇宙模型中，空間在各個方向上無限延伸，就像一個沒有盡頭的平面。在這樣的宇宙里，無論飛船以多快的速度飛行，哪怕是 10 億倍光速，也永遠無法找到邊界，因為它本身就沒有邊界，飛船只會一直朝著無盡的遠方飛去，永遠也飛不到盡頭。就好比在一個無限大的平面上，無論你朝著哪個方向走，都不可能走到邊緣。

如果宇宙是馬鞍形（開放型），其曲率為負，空間同樣是無限開放的。在這種形狀的宇宙中，光線會沿著彎曲的路徑傳播，飛船的飛行軌跡也會隨之彎曲。隨著飛行距離的增加，飛船與出發(fā)地的距離會越來越遠，而且不會有返回的可能，更無法到達所謂的邊界，因為宇宙在這種模型下是無限延展且沒有邊界的，飛船會一直穿梭在不斷延伸的宇宙空間中，沒有終點。

而對于封閉球形的宇宙，它是有限但無邊界的。

想象一下，我們在地球的表面沿著一個方向一直走，最終會回到出發(fā)點，因為地球表面是一個二維的封閉曲面。類似地，在一個三維的封閉球形宇宙中，飛船朝著一個方向飛行，看似是一直向前，但實際上由于時空的彎曲，它最終也會回到原點，就像在一個巨大的球面上做環(huán)球旅行，無論怎么飛都飛不出這個球面，自然也就無法到達宇宙邊界。

宇宙沒有中心，也沒有邊界，反過來說，處處都可以被視為宇宙的中心和邊界。

目前我們所認知的宇宙只是可觀測宇宙，這是以地球為中心、半徑約為 465 億光年的球體 。由于宇宙年齡約為 138.2 億歲，有些天體發(fā)出的光至今還未到達地球，未來可觀測宇宙的范圍還會進一步擴大；而有些天體的光也許永遠也到不了地球，因為離我們遙遠的星系所在的空間正以超光速膨脹（空間是光運動的場所，不受光速不變限制），所以實際宇宙要比可觀測宇宙大得多。

宇宙是一個具有時間維度的動態(tài)膨脹的四維時空，在這個宏大的體系中，每一個點都可以看作是宇宙演化的中心，同時也都處于宇宙的 “邊界” 位置，因為宇宙沒有傳統意義上的外部空間來界定邊界。從某種意義上說，我們每個人在宇宙中所處的位置，都既是宇宙的中心，也是宇宙的邊界，只是我們難以直觀地感受和理解這種特性。

盡管目前 10 億倍光速飛行及到達宇宙邊界只是美好的想象，但科學的發(fā)展總是充滿無限可能。回顧科學史，許多曾經被認為不可能的事情，都隨著科學技術的進步成為了現實。

例如，古人渴望像鳥兒一樣飛翔，這在當時看似遙不可及，但隨著航空技術的發(fā)展，飛機的發(fā)明讓人類實現了翱翔藍天的夢想；曾經人們認為遠距離即時通信是天方夜譚，而如今互聯網和通信衛(wèi)星的普及，讓全球各地的人們可以隨時隨地進行視頻通話和信息交流 。或許在未來，隨著物理學理論的重大突破和技術的飛速發(fā)展，我們能夠找到超越現有認知限制的方法，實現更快速度的飛行，對宇宙邊界的探索也會取得實質性的進展。