外星人，也被光速困住了？沒有曲速與蟲洞或某種新型物質！

當我們談論宇宙中那些遙遠的天體, 無論是恆星,星系,還是類星體, 我們幾乎都會用一個單位來衡量它們的距離——光年。 之所以如此,並不是因爲這個單位聽起來高大上, 而是因爲現代物理告訴我們一個極其嚴苛的事實, 任何有質量的物體, 無論你對它做什麼,給它注入多少動能, 都只能無限接近一個極限速度, 卻永遠無法真正達到它。 而這個由物理定律親自設下的上限, 就是光速。 只有那些真正沒有質量的東西, 比如光子、膠子或者銀利波, 才能在空間結構中以每秒三十萬千米的速度前進。 至於一切有質量的物質, 當然也包括我們自己, 都註定只能慢於光速航行, 只要你還在遵守現有的物理定律, 這個結局就無法改變。 那問題來了,這是否意味着, 即便是我們能想象到的最先進的外星文明, 甚至把人類文明無限推到遙遠的未來, 也永遠不可能以更快、更高效的方式穿越宇宙, 星際旅行真的從一開始就被光速封死了嗎? 換句話說, 我們是否可以理直氣壯地斷言, 外星文明的星際航行同樣被光速牢牢限制住, 這種假設幾乎已經默認寫進了我們對外星科技的所有討論之中? 當然,科幻作品裏常常給出另一套答案, 但這些都高度推測, 甚至可以說,尚未走出幻想的範疇。 那麼,在科學史一次次被顛覆的背景下, 我們如此自信地宣稱宇宙存在一個不可逾越的速度上限, 會不會本身就是一種傲慢? 儘管最保守, 也最符合當前物理學的結論仍然是光速無法被突破, 但是實上仍然有幾個非常值得認真對待的理由, 讓我們懷疑事情也許並沒有這麼簡單。 或許,哪怕不引入全新的物理定律, 光速本身也未必真的是宇宙設下的終極限制。 當我們大多數人想到從一個地點旅行到另一個地點時, 我們都會想到沿着最短的距離旅行, 也就是直線。 如果你想最大限度地縮短旅行時間, 你會選擇最短的路徑並儘可能快地移動。 這不僅在傳統的非相對論運動場景中是合理的, 即使我們考慮愛因斯坦的狹義相對論, 也是如此。 狹義相對論的規則有點違反直覺, 因爲它指出運動, 時間和距離對於每個觀察者來說都是相對的, 不存在所有觀察者都能認同的絕對運動, 時間或距離。 唯一絕對不變的,或許有些奇怪的是, 是光速。 所有觀察者測量到的光速值始終相同, 2億9979萬2458米每秒。 你可以想象自己乘坐飛船以恆定的加速度加速, 速度越來越快, 永無止境, 從起點飛向陸地底。 但是, 如果你以我們在地球上感受到的加速度 加速整整12個農曆月, 你仍然無法達到光速, 儘管你加速了整整3059萬1070秒, 即使從數學上講, 3059萬1070秒乘9.8米每二次方秒 等於2億9979萬2458米每秒, 這是因爲你不能像平時那樣簡單地疊加速度。 如果你以正15米每秒的速度前進, 並向前發射一個速度爲正15米每秒的粒子, 你完全可以預期, 相對於地面上靜止的人來說, 這個粒子會以正30米每秒的速度運動, 因爲15加15等於30。 然而, 如果你以正1億5000萬米每秒的速度前進, 並向前發射一個速度爲正1億5000萬米每秒的粒子, 那麼相對於靜止的人來說, 這個粒子看起來不會以正3億米每秒的速度運動, 他們只會看到它以大約正2億4千萬米每秒的速度運動, 因爲速度必須根據相對論規則進行疊加, 而不是根據傳統的伽利略或牛頓規則。 事實上, 如果你以9.8米每二次方秒的恆定加速度 向任何遙遠的天體加速, 你會發現你永遠無法達到光速, 只能無限接近它。 你會發現你仍然會越來越快地運動, 你的目的地也會越來越近, 而且隨着你速度的不斷增加, 來自目的地的光線會顯得越來越藍移, 但你發射的每一個光子仍然相對於你而言, 以光速運動,相對於你的光源, 你的目的地而言, 也以光速運動, 並且由於你發射光子時的運動, 光子只會發生波長變化, 而不是速度變化。 然而,在你的相對論性旅程中, 有兩件事會發生巨大的變化, 你對距離和時間的體驗, 與那些保持靜止的人相比, 都會有所不同。 距離不再是固定不變的, 而是會沿着你的運動方向發生收縮。 這種長度收縮現象 以科學家喬治、菲茨傑拉德和亨德里克、 洛倫茲的名字命名, 他們在愛因斯坦的狹義相對論出現之前 就已經理解了這一現象。 時間也不再是每個人在任何地方 都以相同的速度流逝, 而是相對的。 對於相對於起點和終點運動的 太空旅行者來說, 時間會發生膨脹。 相對於靜止的觀察者而言, 運動中的觀察者所經歷的時間流逝速度會變慢。 雖然留在原地的人會像往常一樣正常衰老, 但在同一時間段內穿越了相當長距離的人 會經歷更短的時間流逝, 而時間縮短的程度完全取決於 他們在旅途中接近光速的程度。 你速度越快, 你所經歷的時間就越短。 但對於起點或終點的觀察者來說, 太空旅行者穿越相同距離所需的時間 至少與光線從起點到終點所需的時間一樣長。 當然,以上所有討論都針對的是 普通物質和反物質, 這些粒子都具有真實的、正的質量。 根據愛因斯坦最著名的方乘以等於mc平方, 我們知道,粒子的質量實際上描述了 它所擁有的一種特定形式的能量, 靜止質量能量。 粒子還可以擁有其他形式的能量, 其中最著名的就是動能, 即運動的能量。 事實上,儘管我們經常快速輕鬆地寫下 E等於mc平方, 而且通常不假思索, 但事實證明, 這只是描述粒子能量方乘的一半, 這一半隻是用於粒子處於靜止狀態的情況。 對於處於任何一般運動狀態的粒子, 真正的方乘如下, 其中E是能量, m是靜止質量, c是光速, 而通常不被寫出的像P則是粒子的動量。 通常,對於所有已知的粒子, 其靜止質量可以是正的, 例如夸克和反夸克, 中微子和反中微子, 帶丁氫子和反氫子等, 也可以是零, 例如光子,交子或銀利波, 其量子對應物是銀粒子。 但在這個宇宙中可能還存在另一種可能性, 具有虛質量的粒子。 如果你擁有虛質量, 那麼上面那個方乘在動量足夠低的情況下 可以得到負值。 這種假設粒子可以處於負能量狀態, 這種粒子被稱爲超光速粒子。 儘管超光速粒子尚未被證實存在, 但它們具有極其奇特且違反直覺的特性, 就像普通物質一樣, 你賦予超光速粒子越多能量, 它的速度就越接近光速。 只不過,對於超光速粒子來說, 它是從高於光速的方向接近光速, 而不是從低於光速的方向接近光速。 換句話說,速度最慢的超光速粒子 和速度最快的正質量粒子 都趨近於同一個它們永遠無法真正達到的速度, 光速。 如果你有一個正質量粒子, 並且不斷地從中移除動能, 它的速度就會下降。 如果它沒有任何動能或動量, 速度甚至可以降到0, 但對於超光速粒子及虛質量粒子, 你移除的動能越多, 它的速度反而越快。 對於沒有任何固有動能的超光速粒子來說, 它的速度可以達到無窮大。 儘管沒有證據表明超光速粒子能夠存在, 但如果能夠發現操縱以下任何一種狀態的方法, 負能量狀態或任何虛質量狀態, 都將突然且明確地使超光速太空旅行成爲可能。 好吧,也許你有充分的理由認爲超光速粒子並不存在, 而且即使空間本身存在着非靈的正能量, 按能量,你也可能無論如何都無法真正達到負能量狀態。 那麼,這是否意味着, 如果不存在超光速粒子, 超光速旅行就真的不可能呢? 答案是不一定, 因爲它只在狹義相對論中禁止超光速旅行, 而不是在廣義相對論中。 記住,廣義相對論的關鍵在於, 不僅空間和時間相對於觀察者是相對的, 而且構成兩者的基礎結構, 時空結構也會受到宇宙中所有時刻, 所有位置的物質和能量分佈的影響而發生扭曲。 在廣義相對論的框架下, 宇宙中的每一個質量都會使時空結構彎曲, 每一個能量量子都會使時空結構彎曲。 時空結構並非固定不變, 而是可以膨脹或收縮。 引力波雖然自身沒有質量, 但卻能以光速在時空中傳播, 並由任何穿過時空區域變化區域的質量量子產生。 儘管宇宙中大多數天體對時空結構的扭曲程度非常小, 但也有一些天體能夠產生巨大的時空區域, 例如黑洞。 如果時空不僅在一個位置, 而是在多個不同的位置都發生嚴重的彎曲, 那麼可以想象, 一個嚴重彎曲的區域可以連接到另一個區域, 形成俗稱的蟲洞,或愛因斯坦·羅森橋。 這樣一來, 就不必穿越分隔這兩個位置的浩瀚宇宙距離, 而是可以通過蟲洞走捷徑, 將真實的物質從起點運送到目的地, 速度甚至比光速還要快, 尤其是在能夠穩定蟲洞, 使物質在穿過蟲洞時不會被引力潮汐力撕裂的情況下。 在廣義相對論框架下, 還有其他實現超光速旅行的可能性。 如果你擁有負能量源, 不一定是像超光速粒子那樣絕對的負能量, 而只是相對於真空零點能而言的負能量, 你就可以利用正能量和負能量的組合, 以特定的方式扭曲時空結構, 在飛船前方壓縮時空, 在飛船後方稀釋時空, 同時在兩者之間形成一個穩定、無損的泡狀區域, 飛船可以在其中存在。 這是一種物理上合理的機制, 可以創造出可以說是所有超光速旅行概念中最著名的想法, 星際迷航中的曲速引擎。 事實上,任何繁衍力源都能讓我們製造出曲速引擎, 或者通過多種巧妙的機制實現超光速旅行。 許多理論家或許是被這種可能性所激勵, 在20世紀90年代、2000年代和2010年代都指出, 反物質的引力行爲從未被測量過, 我們知道它的慣性質量是正的, 但我們不知道它的引力行爲如何。 經過多次嘗試, 歐洲核子研究中心反物質工廠的Alpha-T實驗最終完成了這項關鍵測量, 反物質和普通物質一樣會向下墜落, 這粉碎了我們對曲速引擎最現實的希望。 如果超光速粒子不可能存在, 蟲洞也不可能存在, 虛速引擎也不可能存在, 那麼在不引入任何新物理學理論的情況下, 超光速旅行還有希望嗎? 或許還有一種可能性, 廣義相對論中存在所謂的閉合類式曲線, 這種曲線出現在許多時空中, 包括描述真實旋轉黑洞的克爾度歸時空。 如果你擁有閉合類式曲線, 你就可以在某個初始時刻離開一個點, 進行一段空間旅行, 甚至可能是一段非常漫長的空間旅行, 最終不僅回到你的初始位置, 而且回到你出發的初始時刻。 換句話說, 這就好像你在極短的時間內穿越了有限的空間, 這絕對錶明某種超光速旅行已經發生。 當然,根據我們目前已知的物理定律和物質形式, 很容易假設, 即使是高度發達的物種也無法超越宇宙本身設定的速度極限——光速。 然而,我們必須記住, 現代人類的科學事業實際上只有幾百年歷史, 即使是基本的運動定律和萬有引力定律 也只是在過去五百年內才被發現。 幾千年甚至幾百萬年後, 我們可能會像現代科學家看待亞歷斯多德科學那樣看待, 我們目前對宇宙的理解那是一種古老而粗淺的嘗試, 偶爾會有一點點正確, 但它只是對我們最準確的現實圖景的一種幼稚的漫畫式描繪。 我們是否會發現超光速粒子, 並最終學會如何利用它們進行超光速太空旅行? 我們是否會發現虛質量或負能量狀態, 並能夠利用這種狀態扭曲時空結構, 從而創造某種曲速引擎? 我們是否能夠將空間彎曲到足夠大的程度, 或者是否存在某個空間區域本身就彎曲得足夠大, 從而連接到原本看似不相連的空間區域, 形成一個可穿越的蟲洞? 或者,我們是否能夠利用閉合類式曲線的可能性, 在空間中旅行並返回到我們的起點? 不僅在空間上,而且在時間上也是如此。 除非我們能夠確定所有這些問題的答案都是否定的, 否則我們不能排除這樣的可能性足夠先進的外星人, 甚至可能是足夠遙遠未來的我們人類, 有一天可能會克服愛因斯坦最著名的極限, 光速是所有已知物質和能量 以常規方式在空間中傳播的極限速度。 如果存在任何超越光速的可能性, 那麼可能性幾乎是無限的。 雖然我經常強調宇宙的巨大與恐怖, 但星際旅行不是那麼絕對的困難。 人類不會試圖在目前的脆弱肉體的限制下 發射世代飛船去搞星際航行的。 即使可控核聚遍佈可星, 核爆炸脈衝推進與動量交換繩還是足夠在太陽系內, 航行與數百年內在地球軌道和水星軌道鋪設反光鏡, 有足量太陽光能的支持, 發射光推進輕型飛行器到其他天體系統 去播撒自我複製內密機械是有可能的, 這意味着能在銀河中擴散的馮諾伊曼探測器。 這樣的內密技術正在許多實驗室裏進行研究, 俄羅斯軍用內密病毒的時間表目前是2025年。 直接發射內密機械也是可以的, 地球軌道附近的陽光可以將直徑2微米、 密度與水相當的球狀物體加速到64千米每秒, 足以飛出太陽系, 聚光或太陽能泵浦激光可以給它們更大的速度。 內密機械的技術發展程度決定了 它們可以用其他天體系統的物質做到什麼程度的事情, 拆解出材料來建造新發射基地, 製造併發射更多探測器,改造那裏的天體, 根據設計圖製造出包括人類或人類後繼者在內的生物圈。 當人類的身體在基因工程、 機械化技術與內密機械的修理下變得非常堅固而持久, 長距離長時間航行就不再那麼困難了。 已經有學者論述了有反光靜帶森芸功能的恆星引擎的概念。 在百萬年的時間裏, 人類可以將太陽系當作飛船開走來躲避近地超新星的威脅, 並在接近其他天體系統時發射飛行器過去。 經過一億年,太陽系可以被加速到飛出銀河系。 根據我們現在對生命和進化的理解, 生命在宇宙中應該廣泛存在, 但是智慧文明需要的條件苛刻很多, 因此智慧文明在宇宙中應該數量很少, 或許少到很多個星系才存在一個。 到目前爲止,我們並沒有發現外星智慧文明的證據, 只有一些猜測。 外星人究竟是否真的存在? 這個問題一點都不簡單。 我們搜索外星生命行動的結果無非下述兩種可能, 要麼我們在未來某天找到了另一個文明並且與之建立聯繫, 要麼等待我們的只是一次又一次的沉默。 許多人只能在這無情的現實面前保留內心的一絲希望。 無論是否會收到來自另一個文明的信號, 我們對自己在宇宙的地位都會因此而產生重要認識。 我們中沒有多少人願意相信外星文明不存在。 人類在宇宙中就真的如此特殊, 這個想法難免有些無知和傲慢。 鑑於我們的望遠鏡已經發現了那麼多恆星系統和宜居行星, 這個狂妄的想法也沒有得到任何統計數據的支持。 然而,即便外星生命存在的可能性的確很高, 現在的時時也是我們的搜索行動一無所獲。 孤獨這個詞本身就帶有一種負面情緒。 無論是從個體角度出發,還是從種族角度出發, 我們在任何層面上都不想成爲孤家寡人。 然而,如果將來真要面對這個事實, 或許也並沒有那麼淒涼。 相反,對我們的未來來說, 孤獨可能有一些重要意義。 在無盡的黑暗中發現另一個文明 意味着地球生命並沒有我們想的那樣特殊。 而現在的時時是, 我們所做的各種嘗試都如泥牛如孩。 這就是我們擁有的優勢, 人類並不平凡的保證。 這個保證也是所謂事實的核心。 地球上現在沒有來自外太空的智慧生物, 因爲它們現在不在這兒, 所以它們並不存在。 這是天體物理學家邁格爾·哈特 在他1974年的論文中提出並命名的一個簡潔觀察結果。 如果智慧生命的確活躍在銀河系以及其他星系中, 那麼我們面對的現實就不會是事實。 這個事實駁斥了費米悖論的所有解釋。 所謂費米悖論, 就是指既然外星人存在的概率如此之高, 那爲什麼我們從沒有得到過有關它們的任何消息呢? 在費米悖論的所有解釋中, 最爲直白的就是物理條件的限制。 星際旅行的確很困難, 但並非不可能。 我們已經成功地把兩枚獨立的探測器送入了星際空間, 另外, 雖然奔赴另一個恆星系的確要比前往月球複雜許多, 但它們本質上是同一個問題, 只是尺度不同。 外星人, 它們有可能不是溫血動物, 壽命可能也比我們長許多, 可以利用冬眠技術或低溫冷凍技術 在漫長的星際旅行中保護旅客。 在抵達目的地之前, 飛船完全可以由機器人操控, 抵達之後, 飛船上攜帶的受精卵 則足以在另一個星球上創造一個新的生命種群。 當然, 星際飛船必須擺脫以化學能爲主的動力方式, 轉而使用更高效的能源, 比如核能。 舉個具體的例子, 如果星際飛船隻能將0.33%的核能轉化爲冬能, 那麼它必須攜帶至少9倍於自重的燃料。 稍微減慢航行速度 可以削減如此之高的燃料有效在覈比, 從星際介質中汲取氫原子以補充燃料 或許也能達到這樣的效果。 以我們目前的技術和物理學水平而言, 殖民整個星際也只需1000萬年而已。 問題在於, 爲什麼還沒有任何外星文明實施這種大範圍擴張策略? 這些紛繁複雜的生命印記是很難隱匿的。 外星文明或許會因生物學特性而暴露自身。 比如, 它們可能會釋放像氧氣和甲烷這樣的高活性氣體 到自己星球的大氣層中。 只要它們的行星與母恆星之間的距離合適, 合適到足以在行星表面產生液態水, 那麼大氣層中的這些氣體就會暴露生命的騷動。 像戴森球這樣的天體工程項目 可以捕獲並輻射來自母恆星的能量, 這會形成紅外波峯或伽瑪射線暴, 就像用於星際旅行的陰滅火箭留下的痕跡那樣。 就通訊事宜來說, 我們根本無法確定 比我們先進的技術文明留下的信號 究竟會比我們自身的強還是弱。 由於我們自身還未採取過任何類似的行動, 當然也沒有歷史可以參照, 指導我們的搜索行動。 自我毀滅假說的確適用於某些高等文明。 然而,即便大多數外星生命最終都會自我毀滅 或者出於文化原因拒絕探索宇宙, 這個假說也不可能適用於所有外星種族。 還是拿我們自己來說, 地球生命繁榮滋長的趨勢非常明顯。 生命在暗無天日的地下洞穴, 在灼熱窒息的海底噴口, 在無數意想不到的地方開花結果。 沒有一個走向自我毀滅的文明, 就有另一個在整個恆星系中四處播種的文明。 爲了延續, 文明必須像它擁有的智能那樣理性、睿智。 外星人因時間不夠所以還沒到達地球的想法 也同樣不太合理。 如果我們從現在開始不間斷地展開星際旅行, 星際殖民地將以指數形式爆發式擴張, 並在65萬年內佔據銀河系的大部分區域。 除非外星文明掌握探索太空的能力還不到200萬年, 否則我們就不應該說它們還沒來得及造訪地球。 此外,銀河系是最古老的星系之一, 擁有135億年曆史。 如果說宇宙中所有文明掌握星際旅行能力的時間都不足200萬年, 而我們又在它們掌握這項能力後不久就進化成了智人, 這未免也太過巧合了。 這就意味着, 在宇宙之初的長達130億年的時間裏, 沒有任何高等生命出現的跡象, 但在之後的短短几百萬年中又突然出現了兩個互相獨立的高等生命種族。 費米悖論的最後一大主要解釋則徹底與事實決裂, 外星人已經來了, 但我們沒有認出它們。 這種解釋倒還真的有一些值得深思的地方。 我們怎麼才能識別外星生命呢? 對我們來說,它們或許實在太過特別, 所以我們都不會把它們視爲生命。 然而,這種想法與已經收穫成功的奧卡姆剃刀原理衝突。 奧卡姆剃刀這個科學原理告訴我們, 對任何問題的解釋都應該儘可能簡單, 只有當所有簡單解釋都失效後, 才能轉而尋找複雜一些的解釋。 認爲UFO使外星人活動結果的觀點就違背了奧卡姆剃刀原理。 到目前爲止,所有的UFO現象都可以用自然原因或人爲原因解釋, 無需尋找更爲撲朔迷離的外星人的幫助。 案例四可能是事實的一種更爲淒涼的版本。 射電天文學家和數學家羅納德·佈雷斯威爾提出的這個想法是指, 宇宙中沒有我們的同類, 是因爲如果大自然的計劃是創造智能並讓其在整個宇宙中傳播, 那麼只需要一個成功案例就可以了。 這正是地球上已經出現的情況。 智能的傳播不需要涉及多個物種, 也不需要橫跨多個時間點, 更不需要遍及我們這個表面成顆粒條紋狀星球的多個地點。 要想成功撒播智能, 大自然只需做好一次就行了。 人類起源於原, 非洲的落日映紅了灌木叢, 我們從中漫步而出, 探索並統治了整個星球, 即便是最爲寒冷、最爲遙遠的地區也留下了我們的足跡。 這個模式十分高效, 但也同樣孤立, 地球花了四十多億年才孕育了我們, 而我們邁向銀河系中心, 建立星系殖民地的速度會快得多, 因此,根本無需在宇宙的其他任何角落中培育另一個智慧物種。 接受事實或暗歷斯意味着承認宇宙中再沒有像我們這樣的智慧生命, 人類永遠孤獨。 不過,這一番認識並非源於無知或傲慢, 並不一定就像詐看起來的那樣悲觀。 雖然這個觀點並不爲很多人所接納, 承認在這個浩瀚無邊的宇宙叢林中沒有我們的同類也的確讓我們寂寞孤獨, 但這或許也賦予了我們一個寶貴的機遇, 將我們的生命之種和意識之魂遠播到地球家園之外。 這也確證了人類文明的重要性, 我們的後代將傳承星火, 繼承我們世代辛勤耕耘的肥沃恆星系花園。 《星際穿越》中的一句簡潔而質地有聲的臺詞 在某種程度上蓋過了我們的目標, 如果這的確就是我們的目標的話, 人類最偉大的成就不可能只屬於過去, 因爲我們的命運遠在頭頂之上的無垠宇宙中, 而外星文明是否存在,仍然是一個謎, 我們期待科學家們揭開謎底。