宇宙比你想象中更大 如何在浩瀚的星空中玩穿越

伤我心太深

从长度单位看宇宙的浩瀚

想要了解秒差距，就要先了解宇宙的浩瀚。请试着将一枚硬币放在你的面前。假设这枚小小的硬币就是我们的太阳，并以这样的“比例尺”创建一幅银河系三维地图。那么，我们就需要在大约563千米之外放上另一枚硬币，以表示距离太阳最近的一颗恒星，399233亿千米（4.22光年）之外的比邻星。当你试图扩展这幅地图，模拟更大范围内的宇宙空间时，会更为麻烦。依照同样的比例尺，在这幅地图上，银河系的直径大约是1200万千米。而银河系只是亿万星系中微不足道的一个。

正如这个思想实验展示的那样，宇宙的尺度是惊人的，几乎没有办法用我们生活中所熟知的长度单位，比如厘米、米和千米加以衡量。幸好，天文学家在长期的工作中，已经找到了一些专门用于丈量宇宙尺度的长度单位。

天文单位（AU），指地球与太阳之间的平均距离，其具体数值经过了多次修订。2012年9月，在北京举行的国际天文学联合会大会上，将AU精确测定为149597870700米。AU一般用于测量太阳系内天体之间的距离，比如土星距离太阳9.5个天文单位。

在更大的尺度上，科学家又定义了光年（light-year），它是个顽皮的长度单位，有善于欺骗人的外表，虽然有个“年”字，但它不是时间单位，而是长度单位，它是指光在真空中沿直线传播一年的距离。光在真空中的速度为每秒299792458米，计算下来，1光年约为9.46万亿千米，即约为63239.8个天文单位。比如，银河系直径为12万光年，可观测的宇宙半径约为400亿光年。此外，还有光分和光时的说法，如太阳距离地球8光分，距离冥王星5光时。

秒差距（pc）也是天文学上的一种长度单位，它的定义是建立在三角视差的基础上的。我们观察一个宇宙目标（如一颗恒星）时，以地球公转轨道的平均半径（一个天文单位）为底边，宇宙目标为顶点，可以形成一个三角形，顶点所在的内角就是视差。当这个角为1角秒时，地球到这个恒星的距离就称为1秒差距。1秒差距约等于3.26光年。

随着距离的增加，我们在地球上进化出的适用于短距离的感官放在宇宙的范畴，早就不够用了。然而，在测量和描述遥远星系时，秒差距依然太小，天文学家不得不用千秒差距（kpc，约等于3260光年）和百万秒差距（Mpc，约等于3260000光年）为单位来描述距离。有时，还要用到比Mpc大1000倍的单位，即吉秒差距（Gpc，约等于3260000000光年）。

你不必花心思去数这些数字后面有多少个零，你只需要从这些长度单位中直观感受一下宇宙有多么浩瀚。然后再想想，去那里容易吗？

秒差距简单示意图

地球与火星看似很近，实则很远

到宇宙深处到底有多难？

很早的时候，古人就注意到了火星。近代，由于火星与地球之间存在许多相似之处，一直被认为是人类最为理想的移民星球，也是人类下一个要登陆的星球。在很多人的想象中，火星离地球很近。然而，事实并非如此。

光是宇宙中最快的“使者”

到宇宙深处到底有多难？我们不妨以火星为例探究一番。地球和火星都围绕太阳运动，但它们的速度不同，围绕太阳的路径（椭圆形）和长度也不同，所以相对位置总是在变化。当火星与地球位于太阳的同一侧，三者基本呈一条直线，且火星位于近日点而地球位于远日点时，火星与地球的距离最近（古代占星家称之为“冲”），约5600万千米;当火星和地球在太阳两侧，三者基本呈一条直线，且火星和地球都位于远日点时，火星距离地球最远（古代占星家称之为“合”），约4亿千米。但这里所说的距离，都是直线距离，而从地球到火星的航线，不可能是直线，只可能是弧形的或者椭圆形的路线。显然，火地相冲与火地相合时，去火星的航线也是不同的。

具体而言，从地球到火星，有3条路线可以选择：

宇宙比你想象的更浩瀚

第一条路线叫霍曼转移轨道，是一个叫沃尔特·霍曼的数学家发现的。这条航线呈巨大的椭圆形，开始一端与地球相切，末尾一端与火星相切。宇宙飞船在火地相合时出发，因为这时出发，宇宙飞船的前进方向与地球的前进方向相同，能够获得地球约30千米/秒的速度，所以是最节省燃料同时也是难度最小的航线，唯一的问题是耗时比较长。

第二条路线叫冲点航线。如果我们把太阳系想象成一张动态的平面图，中心是太阳，八大行星绕着它不停转圈，就会比较容易理解这条航线了。宇宙飞船在火地相冲时出发，却不是向外直奔火星，而是向内飞向太阳，飞过金星和水星的轨道，以极快的速度从太阳旁边绕过。这时，太阳对宇宙飞船会有巨大的加力，形成“引力弹弓”效应，就好似太阳把宇宙飞船“抛”出去，其速度远远超过发动机所能提供的动力。然后，只需略做调整，飞船会反向掠过水星、金星和地球的轨道，直抵航线的终点，也就是火星。这条路线是所有路线中最长、最复杂、最危险的，但也是速度最快、耗时最短的路线。

  穿过“虫洞”，抵达完全陌生的世界

第三条路线叫快速合点航线，这是霍曼转移轨道的改进路线。与霍曼转移轨道相比，快速合点航行需要宇宙飞船在中途用发动机改变航线，相当于多用点儿燃料来“抄近道”。这条航线比第一条航线近，所花费的时间也少一些，相较第二条航线更为安全。

不管是哪条航线，用现有的火箭技术所花时间都要超过180天。而且，去往火星之路不仅漫长，而且充满了意外和危险。苏联向火星发射了20多颗无人探测器，全部以失败告终，美国人的运气要好得多，但成功率也不到50%。这就是为什么我们1969年就登陆了月球，但至今没有登陆火星的原因。

想想看，去火星都那么困难，去往太阳系内的其他星球，乃至太阳系之外、银河系之外、本星系群之外……又有多么困难呢？

穿越茫茫宇宙的种种可能：宇宙的浩渺有时会让人绝望。幸好我们还有科幻。

在科幻里，作家为跨越茫茫星空，提供了种种超光速穿越宇宙的奇妙方案。第一种叫时空虫洞。根据爱因斯坦的理论，“虫洞”就是连接宇宙遥远区域间的时空细管。就好比是虫子在苹果里打的洞，物体通过“虫洞”，好比虫子沿着洞向苹果表面爬，其抵达苹果另一面的时间显然比在苹果表面爬要少得多。据科学家猜测，宇宙中充斥着数以百万计的“虫洞”，把“虫洞”打开，并强化它的结构，使其稳定，就可以使太空飞船通过，进而在瞬息之间达到遥远的地方。科幻电影《星际穿越》就利用了“虫洞”探索太空。

第二种叫曲速引擎，原先出现在科幻影片《星际迷航》中。所谓曲速引擎，其实是一种以反物质作为燃料的发动机，它能在运动物体周围制造一个人工的曲力场，使物体能在这个扭曲的时空“气泡”中以几十倍于光速的速度移动。曲速就是衡量在这个时空泡里运动的物体的速度。打个通俗的比方，一辆汽车速度不变，但是由于将道路长度进行了大幅压缩，使路程相应缩短，行驶的时间会大大缩短。

《星球大战7：原力觉醒》中的“千年隼”，可以实现超空间跳跃

第三种是《宇宙战舰大和号》中提到的波动引擎。电影中，波动引擎的设计图来自外星球，其原理人类并不是很了解。简单地说，就是将飞船在眨眼间转变为“波”态，而波态飞船不受时空限制，瞬息之间就能到达指定地点。

第四种叫超空间跳跃。在《星战7》中，汉·索罗一拉手闸，传奇货运飞船千年隼号前方的光线就变得异常强烈，随即飞船被淹没在强光里，等强光消失，飞船已经到了另一个空间。这就是超空间跳跃。在电影中，正是靠着超空间跳跃，各种飞船在不同星球之间任意穿梭，这也是距离遥远的星球之间能够发生战争的根本原因。那么科幻中是如何描述超空间跳跃的呢？原来，人们运用巨大的能量场（如重力场或强磁场），使飞船（包括在其范围内的物体）瞬间进入与本身的三维空间完全不同的超空间，在超空间中飞行一段距离后，再回到三维空间中，这样，飞船就抵达了另一颗星球。由于在超空间中，不存在所谓的时间，或者时间的流逝速度只是三维空间的1/1000万倍，所以在超空间之外的人看来，飞船是在瞬间从甲星球抵达乙星球的。科学家斯蒂芬·霍金在其著作《时间简史》《果壳中的宇宙》中，均讨论了超空间跳跃的可能性，他的“弦理论”认为运用足够的能量，就可以制作出一个能量巨大的“弦”，将太空船带入超空间跳跃航行。因此可以说，霍金对超空间跳跃的情况在理论上是肯定的。

比起宇宙的浩瀚无垠，也许人类的想象力更加无边无际。在未来，还会有更多的可能性，想想这是多么美妙啊！

电影《星际迷航》中，曲速引擎的出现，大大缩短了行驶的路程