孫悟空翻不出如來手掌心，這背后竟然還有物理學(xué)道理！

北極燕鷗也許是世界上最熱愛光明的動(dòng)物，從它出殼的那天起，時(shí)時(shí)刻刻都在追逐太陽。北半球夏天的時(shí)候，它們來到北冰洋沿岸，在苔原上傳宗接代。南半球夏天的時(shí)候，它們?nèi)ネ蠘O洲周圍，在南冰洋捕魚捉蝦。

北極燕鷗的遷徙路線曲曲折折，平均下來，每年來回大約 71000 千米。在它 30 多年的漫長壽命中，遷徙的總路程相當(dāng)于從地球到月球往返 3 次！

北極燕鷗。圖片來自：pixabay.com

對(duì)于小小的鳥兒來說，能達(dá)成這個(gè)成就，夠吹好幾個(gè)地質(zhì)年代了。那么，如果給人類 30 年，在已知的物理框架中行事，不限手段，我們能飛多遠(yuǎn)呢？

他們真的飛了 30 年！

人類最早發(fā)往太陽系外圍的探測器是先驅(qū)者 10 號(hào)，到發(fā)射 30 周年的時(shí)候（2002 年 3 月），它飛到了距離地球 120 億千米的地方。

不過，1977 年發(fā)射的旅行者 1 號(hào)后來居上，飛到第 21 個(gè)年頭時(shí)，就在 104 億千米處超越了先驅(qū)者 10 號(hào)，成為飛得最遠(yuǎn)的人造物體。到第 30 年時(shí)（2007 年），旅行者 1 號(hào)已經(jīng)到達(dá) 155 億千米處，正在穿越日球?qū)忧柿恕?strong>現(xiàn)在旅行者 1 號(hào)已經(jīng)飛出日球?qū)禹?，在離我們 240 億千米之遙的星際空間中暢游。

2007年，兩位旅行者正在穿越日球?qū)忧?。圖源NASA

盡管 155 億千米顯然比北極燕鷗的 3 次地月往返出色得多，但這樣簡單地做乘法拼速度，似乎太枯燥乏味了。讓我們?cè)傧氲每褚耙恍?，還有沒有飛得更遠(yuǎn)的方法？

只要速度接近光，短命也能跑更遠(yuǎn)

一種微觀粒子的奇異表現(xiàn)或許能啟發(fā)我們的思路。在距離地面 15 千米的高空，宇宙射線中的高能質(zhì)子轟擊地球大氣層，會(huì)產(chǎn)生 μ 子和中微子。

其中 μ 子的壽命非常短，大約 2.2 微秒就會(huì)發(fā)生衰變。照理說，即使它以每秒 299792458 米的光速俯沖，也只能飛 660 米，到不了地面。但是有趣的事情出現(xiàn)了：在海平面的高度乃至地下礦井里，都能檢測到不少 μ 子，這個(gè)奔跑距離是原本預(yù)測的 23 倍以上。

這是怎么回事呢？原來是狹義相對(duì)論在暗中相助。從地球看來，以近光速運(yùn)動(dòng)的 μ子 的時(shí)間流逝會(huì)大大減緩。只要它的速度和光速相差小于萬分之 9，時(shí)間流逝就會(huì)放慢 23 倍以上。如果我們和 μ 子手里各拿一塊秒表，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)它飛抵地面時(shí)，我們的秒表跑到 52 微秒了，μ 子的秒表卻還沒走到 2.2 微秒（看來“生命在于運(yùn)動(dòng)”是對(duì)的……）

然而從 μ 子看來，它并沒有感覺自己時(shí)間變慢，它正常地在 2.2 微秒時(shí)壽終正寢，衰變?yōu)槠渌Ｗ樱覀兪种械拿氡聿攀亲呗哪菈K。在它“眼中”是這樣一番景象：以近光速撲面而來的地球徑向壓縮了 23 倍以上，成了一個(gè)“地餅”（假如它知道地球原本模樣的話），它要穿越的大氣層比 660 米還要薄些，它甚至還能再跑一段，一直鉆進(jìn)地下礦井！

時(shí)間延緩的倍數(shù)，或者長度壓縮的倍數(shù)，有一個(gè)可記可不記的公式，純供好奇的讀者用來驗(yàn)算后面的數(shù)據(jù)：

這里v是物體運(yùn)動(dòng)的速度，c是光在真空中的速度。

μ 子抵達(dá)地面現(xiàn)象是對(duì)狹義相對(duì)論的一項(xiàng)經(jīng)典證明。要注意，從地球看來，μ 子用 52 微秒跑了 15 千米；從 μ 子看來，它用 2.2 微秒跑了 660 米。在各自的參考系里，μ 子都沒有超光速。但是混起來說的話，就會(huì)得到錯(cuò)誤（但聽起來有趣）的結(jié)論：μ 子用 2.2 微秒跑了 15 千米，23 倍光速！

只要大力出奇跡，就能莽穿銀河系？

按這個(gè)思路一琢磨，我們有一個(gè)大膽的想法。如果（不管用什么辦法）把自己加速到極其接近光速，是不是就可以在 30 年內(nèi)橫穿原本直徑 20 萬光年的銀河系了？

這個(gè)時(shí)間延緩或者長度壓縮是 6667 倍，就算 7000 好了。我們使用剛才的公式，一通操作猛如虎，就能算出，只要和光速相差億分之 1 以內(nèi)，就能把銀河系徑向壓扁 7000 倍，好讓我們?cè)?30 年內(nèi)橫穿過去。

當(dāng)然，從留在地球家園上的一代又一代的子子孫孫們看來，我們還是老老實(shí)實(shí)地以近光速行駛，花了 20 萬年才完成任務(wù)，只是我們的一舉一動(dòng)都奇慢無比，就連每次眨眼都要花 1 小時(shí)！

要多少能量才能到達(dá)這個(gè)速度呢？假設(shè)飛船很輕，連同我們?cè)趦?nèi)只有 1 噸（裝備了非常規(guī)食物，以免餓死在 30 年的旅途中），那么最終的動(dòng)能就是 E=mc2 乘以 7000，等于 6300 萬億億焦耳。這個(gè)數(shù)其實(shí)并不大，僅僅是太陽在 600 分之一秒內(nèi)產(chǎn)生的能量，比毀滅恐龍的那次小行星撞擊略猛一些，我們說不定還是能弄出來的。

那么我們?cè)倥蚜?，?30 年內(nèi)飛到宇宙邊緣看一看？從大爆炸時(shí)起，信號(hào)有時(shí)間傳到我們的那部分宇宙（所謂“可觀測宇宙”）已經(jīng)膨脹到半徑 465 億光年，而且還在繼續(xù)膨脹中。假如能夠把它叫停，然后在我們的 30 年內(nèi)飛過去，那就要把飛船加速到和光速僅差 500 億億分之一，所需能量達(dá)到 14 萬億億億焦耳，相當(dāng)于太陽在 6 分鐘內(nèi)的全部產(chǎn)能，或者說，72 座三峽大壩從地球誕生起運(yùn)行至今！

看了上面的計(jì)算我們可能會(huì)產(chǎn)生一種錯(cuò)覺，覺得只要大力就能出奇跡，其實(shí)更大的問題是，在我們已知的體系里，宇宙膨脹無法叫停，并且還在加速中，離我們?cè)竭h(yuǎn)，星系退行的速度越快，甚至可以超過光速（空間膨脹不違反相對(duì)論）。即使我們化身一束光，當(dāng)下出發(fā)，也只能逐漸趨近目前距離我們約 150 億光年的星系（正以光速退行），而永遠(yuǎn)無法到達(dá)，更不要說 465 億光年了。

說到這里，忽然就想起了西游記里孫悟空和如來的那場賭賽。孫悟空一個(gè)筋斗十萬八千里，也沒有翻出如來的手掌心，究其原因，別是如來發(fā)動(dòng)了一次宇宙膨脹吧……

孫悟空遭遇宇宙膨脹·《西游記》電視劇截屏

策劃制作

作者丨曲炯 科普作者

審核丨劉茜 北京天文館研究員

責(zé)編丨丁崝