在科幻作品中，以光速或超光速移动的宇宙飞船能够实现各种各样的宇宙探索。但在地球现实中，乘坐笨拙的火箭以光速（在真空中为每秒 299,792,458 米，或每小时 670,616,629 英里）旅行是 物理上不可能的。“这是无质量物体旅行的速度，”密歇根州立大学物理学名誉副教授 Gerd Kortemeyer 说。所以，任何有质量的东西都无法达到这个速度。即使是无质量粒子，也受光速限制。“它通常被称为宇宙速度极限，因为没有任何东西能比它更快，”Kortemeyer 说。
对于那些渴望前往遥远星系的人来说，这更是双重不幸——即使是接近光速的旅行也无法实现。“相对于我们亲爱的地球，以接近光速旅行既不可能也无法生存，”这位物理学家说。
撇开奇特的理论解释不谈，仅仅是推进任何载人飞船达到这个速度就需要过多的燃料和能量。根据 Kortemeyer 的计算，在一艘重 10 吨（比大多数航天器 轻巧得多）的飞船中达到光速的 99%，同时以可承受的重力加速度加速，将消耗地球一年总耗电量的 200 多倍。这还是在假设燃料效率完美的情况下，即质量转化为推进能量时没有任何热量损失——根据 热力学第二定律，这也是物理上不可能的。
我们最接近光速的尝试是在大型强子对撞机中将极其微小的单个原子粒子加速到 光速的 99.99999896%。
但让我们忽略这一切，暂时想象一下，如果我们可以接近光速。如果我们拥有完美、高效的燃料来源，大量的燃料，一艘能够承受这种燃料的飞船，以及十足的勇气——那么接近光速的旅行会是什么样子？
嗯，也许并不奇怪，事情会变得很奇怪。
光速有什么特别之处？
首先，理解光速的一些怪异之处很重要。它不仅仅是速度，它还是“大自然的基本常数之一，”Kortemeyer 解释说。自 17 世纪以来，对行星运动的天体观测 就暗示了光速的存在。1865 年，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦推断光是一种电磁波，并在其 里程碑式的物理学论文《电磁场动力学理论》中计算出了它的速度，与当前已知值非常接近。
然后，爱因斯坦彻底颠覆了我们对物理学的理解。他于 1905 年提出的狭义相对论将时空构想为一种统一的宇宙织物，通过定义能量与物质之间关系的常数“c”连接起来。当他计算出这个值时，它恰好 等于光速。这就是著名的 E=mc^2 方程。
最基本的来说，狭义相对论认为光速不变，而是时间——第四维度——会相对于物体的运动而弯曲。因此，运动的物体经历的时间与静止的物体不同。在地球上几乎所有可以想象的速度下，这一点都不会被注意到。但接近光速时，这一点就会非常明显，这是一种称为时间膨胀的现象（我们将在下一节回到这一点）。
此外，由于光速与时空的独特关系，无论观察者的速度如何，它都保持不变。想象一下，你正坐在高速公路上的汽车里。如果你以恒定的每小时 30 英里的速度行驶，而你前面的汽车以每小时 60 英里的速度超过你，那么相对于你的速度，那辆更快的汽车正以每小时 30 英里的速度远离你。然而，如果你正在追赶一个光子，即使你达到了光速的 50%，那个光子仍然会以光速远离你。“它永远是光速，与你的移动方式无关，这与其他任何事物都大不相同，”Kortemeyer 说。
总而言之，这些概念结合起来，使得接近光速成为一次疯狂的旅程。
接近光速的旅行会是什么样子？
颜色和亮度会发生扭曲，看起来非常不同，正如 Kortemeyer 和麻省理工学院的合作者于 2012 年开发的 这个模拟 所示。这个简单的游戏旨在说明接近光速移动的相对论效应，其前提是宇宙中的光移动速度非常慢，并且在你导航世界时不断减慢。在那个宇宙中，虽然你仍然无法达到或超过光速，但你可以以快速步行的速度接近它。
当你这样做时，你会经历视觉多普勒效应——这与救护车鸣笛呼啸而过时，其音调会随着移动而改变的方式相似。朝向物体移动会使其看起来更蓝，因为其波长在视觉上变短。远离物体则会产生相反的效果，使其外观偏红。
向某个物体加速会放大你对它亮度的感知，这是一种聚光灯效应。Kortemeyer 将这种现象比作在雨中奔跑。在倾盆大雨中快速移动可以确保更多的雨滴打到你的前方，从而使你的衬衫更快地湿透。在模拟游戏中， the proverbial water droplets（谚语中的水滴）就是光子。以接近光速的速度在光束中奔跑意味着更多光粒子会同时进入你的眼睛。
如果这还不够奇怪，那就考虑一下时间会发生什么。还记得时间膨胀的概念吗？由于时空会扭曲以适应恒定的光速，以接近光速在太空中旅行的人会比所有留在地球上的人衰老得更慢。这个想法在 双生子佯谬 的思想实验中得到了体现。时间膨胀，以及在静止时的时间与以特定速度运动时的时间的变化，可以 精确计算。
如果你设法达到了每秒 299,792,450 米（即略低于光速），以该速度在太空中旅行两分钟，将相当于地球上过去了大约六天的时间。
通常，这种时空扭曲的概念被用来解释超光速旅行是如何工作的。“我非常喜欢《星际迷航》，所以我不希望说它坏话，”Kortemeyer 说。然而，他表示，该剧的科幻概念——“曲速引擎” 超越光速——完全是虚构的，没有科学依据。“扭曲空间是物理现实，”但他表示，没有任何方法可以强迫或控制空间扭曲来操纵速度。“物理学中不存在曲速引擎。我不知道有什么物理原理能使其成为可能，”他说。
再回到地球上来，仅仅是 *达到* 每秒 299,782,450 米本身就是一场严峻的考验。说到高速，需要应对的最大障碍不是以恒定速度巡航，而是加速度。我们已经在以比你想象的快得多的速度移动。我们所有人在地球上以大约每小时 67,000 英里的速度绕太阳运行。但是，因为这个速度没有改变，我们感觉不到。然而，相对于地球达到光速将是另一回事。“你不能说走就走并达到光速。你会粉身碎骨，”Kortemeyer 说。
除非你非常小心地加速，否则达到接近光速的重力加速度将是巨大的。人类已经适应了在 1 g（地球上的重力）下生存。大多数人可以在短时间内（几秒钟到几分钟）承受 4-6 g 的加速度。但如果时间更长或强度更高，重力加速度 就会致命，因为我们体内的流体动力学会变得混乱。
根据 Kortemeyer 的计算，如果你想将加速度保持在 3 g 以下，一个人需要大约一年时间才能加速到光速。但他指出，我们不知道长期暴露在这种水平的加速度下会对身体产生何种影响。有可能连续 12 个月的加速度超过我们的生理承受能力，将不仅考验物理学的极限，还将考验我们自身的生理极限。
这篇文章是《Popular Science》“问我们什么”系列的一部分，我们在此解答你最离奇、最烧脑的问题，从普通的到异想天开的。 有什么一直想知道的吗？问我们吧。
