人类一直梦想着穿越太空，对未知的世界和探索遥远星系的渴望充满了 fascination。太空旅行最大的障碍是广袤的距离。在这篇文章中，我们讨论了太空中的巨大距离以及使用不同速度的航天器到达遥远星星和物体所需的时间。为了说明太空有多广阔，我们计算了使用汽车和人类建造的最快航天器到达一些天体所需的时间。我们还计算了以光速旅行的距离。尽管光速不足以远距离穿越太空，我们转向了科幻系列 星际迷航，在其中航天器使用虚构的曲速驱动器以远超光速的速度飞行。
以130公里/小时（80英里/小时）持续行驶的汽车
让我们想象一下，如果我们可以在汽车中穿越太空。在世界许多国家，高速公路上允许的最高速度是130公里/小时或80英里/小时，因此我们在计算中使用了这个速度。汽车最终可以到达月球，旅程大约需要123天。到火星的旅程在与地球最近时需要长达48年，而在最远距离时则需要多达352年。新视野号探测器花费了9.5年到达冥王星，这是一颗位于太阳系边缘的矮行星。用汽车进行这次旅行至少需要3750年。比邻星是离地球最近的恒星，距离为4.24光年。用汽车到达这颗恒星需要3500万年。
冥王星多彩构图。来源：NASA/约翰霍普金斯大学应用物理实验室/西南研究所
旅行在太空中的最快人造航天器——旅行者1号
旅行者1号于1977年发射，是人类创造的速度最快的航天器，飞行速度约为61,000公里/小时（约38,000英里/小时）。然而，旅行者1号并不是建造的最快航天器。帕克太阳探测器的速度可达700,000公里/小时（约430,000英里/小时），但这种速度仅在它最接近太阳时实现，利用太阳的引力加速。另一方面，旅行者1号在太空中飞行，目前是最遥远的人造物体。
旅行者1号进入星际空间艺术概念。来源：NASA/JPL-Caltech
那么，旅行者1号的速度有多快？覆盖广阔的宇宙距离需要多长时间？以目前的速度，旅行者1号大约需要6小时才能到达月球。从地球到火星在火星与地球最接近时需要大约37天，而前往遥远的冥王星则需要八年。要到达离地球最近的星星比邻星，竟然需要惊人的75,000年。从这些计算来看，我们目前的技术能力仅能勉强支持对太阳系的探索，而且只能在没有人类机组人员的情况下进行。也许在可预见的未来，我们可以派遣一支队伍前往离地球最近的火星。目前，我们的技术还不够先进，无法向最近的星星发送探测器。
以光速旅行
真空中的光速约为299,792公里/秒（约186,282英里/秒），相当于大约1.08亿公里/小时（约671百万英里每小时）。根据物理学的定律，如爱因斯坦的相对论所描述的，这是一种可能的最高速度。
银河中心的星星大锅。来源：NASA/JPL-Caltech
根据相对论，具有质量的物体，例如宇宙飞船或人类，理论上是不可能以光速旅行的。当物体的速度增加时，其质量实际上会增加，进一步加速所需的能量也会越来越多。要将一个大质量物体加速到光速需要无限的能量，这使得根据当前的科学理解，这种旅行是不可能的。
让我们暂时忽略物理定律，假设以光速旅行是可能的。如果人类拥有一艘能够以光速旅行的宇宙飞船，我们能在太空中走多远？那么整个宇宙都会在我们的触手可及之内吗？以下是我们的计算结果。
以光速旅行，抵达月球仅需1.28秒，前往火星需要3分钟，抵达冥王星需要4小时。光速非常适合在太阳系内快速旅行。但光速是否足够进行星际旅行呢？离我们最近的星星比邻星距离我们4.24光年。这意味着光需要4.24年才能到达比邻星，返回的旅程也需要相同的时间。这种旅行可能可以由人类机组人员进行，但在这样的宇宙飞船上的乘客将不得不在太空中度过他们生命中的大量时间。
在离地球大约15光年的半径内，大约有50颗星星。一艘能够以光速旅行的宇宙飞船将允许探索这一部分空间，最有可能是通过无人探测器进行。我们可以得出结论，光速足以前往最近的星星，但由于这些旅行所需的时间，前往我们银河系的遥远边缘或其他星系将是不可能的。
例如，最近的黑洞 V616 单角座距地球 3,300 光年，因此以光速到达它需要花费同样多的年数。显然，这样的旅程既不可行也不明智。
要到达我们银河系的中心，需要 26,000 年，而前往最近的螺旋星系仙女座的旅程将需要惊人的 253.7 万年。
超光速旅行
在全球知名的科幻系列 星际迷航 中，宇宙飞船以远超光速的速度旅行。这得益于虚构的曲速驱动。星际迷航 中的曲速驱动使星际飞船能够通过在飞船周围创造一个“气泡”来扭曲时空，从而以超光速旅行。这样，飞船并没有违反在空间中以超光速旅行的法则，而是移动了周围的时空。尽管这种驱动是虚构的，但科学家们已经开发出基于类似概念的理论模型。
阿尔库比埃驱动 是一个理论概念，提出了一种通过扭曲时空实现超光速旅行的方法。根据这个想法，宇宙飞船实际上并不会以超光速旅行，而是会在自身周围创造一个“气泡”，在飞船前方收缩时空，而在后方扩展。这样，飞船实际上会在时空中移动，同时相对于气泡内的空间保持静止。为了使其运作，理论建议需要具有负能量的奇异物质，而科学家们尚未找到或创造出这种物质。您可以在 这里 阅读更多关于阿尔库比埃驱动的信息。
星际迷航与曲速驱动
虽然科学家们尚未解决构建阿尔库比埃驱动的所有障碍，但让我们回到 星际迷航 和曲速旅行。在 星际迷航 中，宇宙飞船使用曲速驱动进行旅行。随着技术的进步，曲速变得越来越快。曲速 1 等于光速，曲速 2 是光速的十倍，曲速 3 是光速的 39 倍，等等。我们选择了三艘来自 星际迷航 的著名宇宙飞船，关于它们的最高速度有数据可供参考。尽管系列中的宇宙飞船无法持续以最大曲速旅行，但为了我们的计算，我们将使用它们能够达到的最高速度。
来自 星际迷航：企业号 的乔纳森·阿彻船长的星舰
这艘船的编号是 NX-01。它是企业系列中的第一艘船，对于探索太空和为未来的联邦奠定基础至关重要。它的最高速度是超光速 5，速度是光速的 214 倍。凭借这艘企业号，从地球到冥王星只需一分钟半。到达最近的恒星比邻星需要七天，到达最近的黑洞 V616 需要 15 年。到达我们银河系的中心需要惊人的 121 年，而到达仙女座则需要不可思议的 11,853,271 年。
这艘船在 30 天内以最大速度可以覆盖约 17 光年。在距离地球 17 光年的范围内，大约有 50 到 60 个星系，约有 100 颗恒星。
来自 星际迷航：下一代 的让-吕克·皮卡德船长的星舰
让-吕克·皮卡德船长的星舰来自 星际迷航：下一代，名为 USS Enterprise (NCC-1701-D)。它是第五艘以企业号命名的船只，也是 星际迷航 系列中最著名的船只之一。它的最高速度是超光速 9.6，速度是光速的 1,909 倍。
皮卡德的企业号只需 19 小时 28 分钟即可到达比邻星，前往黑洞 V616 单角兽需要大约一年九个月。到达我们银河系的中心需要 13 年 7 个月，前往仙女座需要 1,328 年。
在 30 天内，这艘船可以覆盖 156 光年。在距离地球 156 光年的范围内，大约有 40,000 到 60,000 颗恒星。
来自 星际迷航：航海家号 的凯瑟琳·珍威船长的星舰
来自 星际迷航：航海家号 的凯瑟琳·珍威船长的星舰被称为 USS Voyager (NCC-74656)。它是一艘以其在德尔塔象限的任务而闻名的无畏级船只。它的最高速度是超光速 9.975，速度是光速的 5,126 倍。航海家号只需 7 小时即可到达比邻星。到达黑洞 V616 需要七个月，到达我们银河系的中心需要五年。仙女座仍然遥不可及，这艘星舰需要 495 年才能到达。
在最大速度下，这艘星舰在 30 天内可以覆盖 421 光年。在距离地球 421 光年的范围内，大约有 125 万颗恒星。
太空旅行的未来
宇宙的广袤是太空旅行的一个限制因素。我们目前建造的航天器可以在10年或更长时间内到达太阳系的遥远部分和冥王星等天体。星际旅行目前是不可行的，因为我们最快的航天器需要150,000年才能到达最近的恒星并返回。就目前而言，我们只能在太阳系内旅行。对于星际旅行，我们的技术需要达到至少20%的光速，这样探测器才能在大约20年内到达最近的恒星。关于建造这样一艘航天器的计划已经存在，该航天器将利用来自地球的强激光加速，但我们还需要再等四年才能获得这样的探测器所收集的数据。
为了成功探索最近的恒星，我们需要接近光速的速度。这将使得距离地球15光年内的约50颗恒星可以进行科学研究，尽管这样的旅程将非常漫长，并且需要几十年才能从探测器那里接收到数据。宇宙是如此辽阔，即使是能够以光速旅行的航天器也只允许我们探索最近的恒星。
如果光速是无法实现的，并且超光速旅行不可行，那么我们遇到先进外星文明的可能性极低。宇宙可能是生命的整体，但宇宙中的巨大距离使得文明之间的接触几乎是不可能的，至少在我们宇宙的这一部分。例外可能是星团内的恒星，例如球状星团，恒星之间的距离可以小至0.1光年。然而，即使这样的小距离对于像我们这样的文明来说也是极其庞大的。旅行者1号需要大约1,769年才能到达距离0.1光年的恒星。
超光速旅行可能吗？
从理论上讲，超光速旅行是令人着迷的，但根据当前的科学法则，特别是爱因斯坦的相对论，对于有质量的物体来说，超越光速是不可能的。然而，一些理论想法建议了“绕过”这一限制的可能性：
阿尔库比埃尔驱动
这一概念由物理学家米格尔·阿尔库比埃尔于1994年提出，基于在航天器周围创建一个“气泡”，在这个气泡内时空保持完整。气泡会在船前收缩空间，在船后扩展空间，从而有效地实现超光速旅行。航天器实际上并不会在空间中以超过光速的速度移动，而是周围的空间会被扭曲。问题在于，这需要使用具有负能量的奇异物质，而这种物质尚未被证明或发现。
虫洞
虫洞是通过时空的假设隧道，可以连接宇宙中遥远的点。通过虫洞旅行可能允许有效的“捷径”穿越空间，这意味着旅行者不需要经过两个点之间的全部距离。
尽管虫洞在广义相对论中在数学上是可能的，但没有证据表明它们存在或会保持足够长的稳定性以供实际使用。此外，它们的维护可能需要奇异物质。
超光速粒子
根据理论，超光速粒子是始终以超过光速移动的假设粒子。然而，它们的存在尚未得到证明。如果超光速粒子确实存在，它们将违反一些基本的物理法则，例如因果律，这可能导致悖论，例如时间倒流。
曲速驱动
在星际迷航中，曲速驱动使用类似于阿尔库比埃尔驱动的概念，宇宙飞船并不以传统意义上的光速旅行，而是扭曲其周围的时空。尽管是虚构的，这一想法激励了现实世界的物理学家探索扭曲时空的可能性。
准晶体空间或更高维度
在一些理论中，比如弦理论，宇宙的维度比我们能够感知的要多。穿越更高维度可能允许在三维空间中实现“捷径”。这个想法仍然高度推测，但在理论上令人着迷。
尽管这些想法很有趣，但大多数仍处于理论和科幻的领域。目前，我们没有实现超光速旅行所需的技术或材料，但对奇异物质、时空和量子物理的持续研究继续为未来提供新的可能性。