人类星际旅行的极限在哪里？

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作者：Ethan Siegel

翻译：贺柏翔

校对：牧夫天文校对组

编排：贺柏翔

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这个宇宙中有我们无法跨越的边界吗？在那个地方，无论我们怎样努力，都永远不可能到达。事实上，现实宇宙确实存在这样的限制。即便能够拥有科幻小说中的技术，我们依旧会被困在宇宙的“口袋”中。

星际穿越中的太空旅行是科幻史上的经典画面

Credit：电影《星际穿越》

先来简单介绍一下我们宇宙的基本信息：

我们生活的银河系是一个普通大小的棒旋星系：直径约10万光年，拥有千亿颗恒星，以及中子星、黑洞、行星、大量的气体云和暗物质，并且在星系中心，存在一个超大质量黑洞。从远处眺望，银河系看起来非常的稠密。但在人类的尺度下，它大多是由一无所有的虚空所构成。凭借我们目前的技术，即使将人类送到最近的恒星，也需要数千年的时间，因此对于现在的人类而言，我们银河系的规模是相当庞大的。

银河系只是一个“普通”大小的棒旋星系

Credit：NASA

与此同时，银河系在宇宙中并不孤单。银河系和仙女座星系以及五十多个矮星系（包括我们熟知的大麦哲伦星云和小麦哲伦星云），组成了所谓“本星系群（Local Group of Galaxies）”，直径大约为一千多万光年。本星系群系属于室女座超星系团的一部分，而室女座超星系团（The Virgo supercluster）联合其他数百个星系组构成了所谓的“拉尼亚凯亚超星系团（Laniakea Supercluster）”，又有百万个跟它类似的超星系团，构成了目前的可观测宇宙。

拉尼亚凯亚这个词来自于夏威夷语，意为“无尽的天堂”。图为直径大约为三亿光年的拉尼亚凯亚超星系团数学模型

Credit：NASA

如果我们不会被大神级外星文明的侵略一扫而光，能够拥有一个美好的未来——当人类文明达到了第三类文明的科技水准（见图注），并开发出基于我们目前物理学理解的星际旅行。在这种最好的情况下，我们到底可以走多远呢？

根据卡尔达舍夫等级分级，二级文明能够通过包裹恒星的巨大太阳帆来完全利用整个恒星的能量，这样的工程称之为“戴森球”（如图）。三级文明则可利用整个星系能量。

Credit：网络

答案很简单却令人失望，我们可以探索的区域只有本星系群，这是人类所能够参与到的最大的结构。虽然它的确很大，但本星系群只占可观测宇宙的0.00000000001%！让我们来好好沉思一下这个数字，我们被限制在可观测宇宙的一千亿分之一的空间里。对我们来说，发现有一个实际的边界在限制我们，对于想要挑战一切的人类来说无疑是沮丧的。

我们为什么不能走的更远?这和看起来一无所有的宇宙虚空有关。宇宙虚空并不是真正空着的，它本身拥有能量。这要追溯到“量子涨落（quantum fluctuations）”，从小范围看，不断运动的粒子和反粒子诞生和湮灭，你可以想象一下在宇宙创世之初，这个作用会产生相对大密度区域和相对小的密度区域。

量子学是现代物理学中突破性的分支

Credit：网络

让我们回到138亿年前，宇宙还没有时空，发生了创世的宇宙大爆炸。在大爆炸之后，因为宇宙的急速膨胀，使得可观测宇宙仅仅在几十亿分之一秒内从一块儿扩大到数万亿公里。这突如其来的宇宙拉伸发生的如此之快，以至于所有的这些量子涨落也同样被拉伸了。在膨胀之后，引力重新开始把万物拉回在一起，从大尺度上看，引力不能把所有东西都牵制住，膨胀主导着宇宙的命运。但从小范围来看，引力因素还是占优的。因此，随着时间推移，密度较大的区域，将成长为星系群，就像我们今天生活在的地方一样。而我们所熟知的引力，亦只在我们的本星系群中起着主导作用。

宇宙大爆炸艺术想象图

Credit：NASA

但为什么我们不能从我们的本星系群旅行穿越到别的超星系群里？

原因在“暗能量”。大约60亿年前，暗能量开始主导。暗能量是一种无形的力和效果，导致并加速了宇宙的膨胀，我们不知道暗能量到底是什么，但是我们可以清楚的观察到它主导的膨胀效果。在早期宇宙中的相对致密区域不断演化，我们星系周围的仙女座星系等结构，会被我们的本星系群的引力吸引，但更大尺度下，更多由膨胀主导。随着时间推移，不同星系群之间的距离就会变得越大。

随着时间的推移，暗能量将我们从宇宙中孤立起来，使得我们最终变得无法接触到其他星团，星系和星系群。我们的邻居会用我们永远都不能想象到的速度远离我们而去。我们可以离开本星系群，然后尝试飞过星际空间，但在黑暗中，我们永远不会到达任何地方。在星际中，我们被越来越疏远，本星系群内则将更加紧密并合并在一起——甚至在数十亿年内形成一个“银河仙女巨型椭圆星系”(Milkdromeda)。

银河系和仙女星系融合艺术想象图

Credit：NASA

在某个可预见的未来，本星系群之外的地区将是那么的遥远，甚至变得难以观测，（因为只有少数的光子可以到达我们这里，那些光子的波长会拉长到无法检测）一旦这种情况发生了，我们将收不到任何外界的信息，宇宙将从视野中消失，宇宙会永远从任何一个角度看起来都变得无比黑暗空旷，未来的“Milkdromeda”人会觉得整个宇宙只有他们自己的星系。往虚空望去，他们只会看到更多的空虚与黑暗，他们将不能看到宇宙的背景辐射，他们甚至不知道大爆炸发生过，他们可能没有办法知道我们今天所知道的东西，比如宇宙的膨胀特性，宇宙的起点和终点，“Milkdromeda”就是一个在黑暗中的孤岛。

但尽管如此，万亿颗恒星对于人类已经足够多、足够大了。毕竟，现在人类仅仅登上了月球，我们还有几十亿年等着我们去探索我们的太阳系和银河系，我们能够在这一刻存在是非常幸运的，因为我们不但能看到我们的未来，还能看到最遥远的过去，现在的宇宙仍然绚丽壮观。

责任编辑：毛明远

牧夫新媒体编辑部