看似简单的一个问题,其实透露出两个根本问题:是否可以达到十亿倍光速?宇宙是有限的吗?

爱因斯坦的狭义相对论早就告诉了我们,光速是不可超越的,任何具有静质量的物体只能无限接近光速,不可能达到甚至超过光速。
所以,不要说以十亿倍光速飞行了,哪怕只比光速快一点都不行,本质上来讲,十亿倍光速与1.1倍光速没有任何区别,都是不可能的。
有人可能会质疑:又拿狭义相对论来说事?难道狭义相对论就是真理?
没有任何科学理论是真理,科学本来就具有可证伪性。
但爱因斯坦的相对论能坚守一百多年仍旧屹立不倒,并非偶然。
如果你非得质疑相对论,那又是另外一个话题了。
那么,宇宙到底是无限的还是有限的呢?
主流科学界认为,宇宙是有限大的,因为无限大的宇宙会出现很难诠释的悖论,而有限大的宇宙则合理很多,而且也很符合宇宙大爆炸理论,宇宙起源于138亿年前的大爆炸,一个无限小的奇点急剧膨胀,经过漫长的岁月演化到今天的模样。
虽然宇宙膨胀的速度很快,甚至远超光速,但不管多快,宇宙的大小总是有限的。
那么,既然宇宙是有限大的,如果一直朝着某个方向飞下去,能不能飞出宇宙呢?
还是不能。
因为虽然宇宙是有限的,但它并没有边,也就是说宇宙“有限无边”,这与我们的地球有些类似。

地球是有限大的,但在地面上沿着一个方向一直走下去,你永远不可能走出地球。
因为你认为的一个方向,其实只是沿着弯曲的地球表面在行走,最终你不但走不出地球,还会回到出发时的原点。
在宇宙中飞行也很类似,因为我们所在的时空并不是绝对的,不是平坦的。
时空非常有弹性,可以弯曲,拉伸,折叠,甚至撕裂。
你认为在时空中朝着一个方向走,实际上只是沿着弯曲的时空行走,即使永远走下去也不可能走出宇宙。
同时,宇宙大小虽然是有限的,但它并没有中心,也可以理解为“宇宙处处是中心”,因为宇宙一直在超光速膨胀,而且具有“各向同性”,也就是说,无论朝哪个方向看,看到的宇宙基本上都差不多。
真实的宇宙大小我们并不清楚,只知道可观测宇宙直径大约为930亿光年,这个数字是以地球为中心测量出来的。
当然地球并不是宇宙的中心,但是刚才说了,宇宙具有各向同性,所以在任何星球上测量可观测宇宙的直径,都会是930亿光年。
既然这样,也就意味着无论你走到哪里,都会是宇宙的中心,也说明了一点:你不可能走出宇宙,你到达的任何地方都属于宇宙。
话说回来,假设宇宙存在可以让我们飞出去的边界,也根本不用十亿倍光速,只需要让飞船的速度尽可能接近光速就可以了。
为什么?
根据狭义相对论中的时间膨胀效应,速度越快,时间就越慢。
那么,当飞船的速度无限接近光速时,飞船上的短暂一瞬间就相当于宇宙无限久的时间,也就是说在短短的一分钟时间,你就可以飞行非常遥远的距离,甚至飞到宇宙的边界。

利用尺缩效应更容易理解。
根据尺缩效应,速度越快距离就越短,这就意味着当飞船的速度无限接近光速时,距离就会变得无限短,不管多远的距离,对于飞船来讲都是近在咫尺,哪怕是宇宙的边界,也是近在眼前。
而时间膨胀效应和尺缩效应是完全等价的,两者是同时出现的,因为时间和空间有机的整体,两者不可分割。
最后,如果非要假设超光速飞行,问题就变得更简单了。
因为在你超光速飞行的一瞬间,就脱离了四维时空,摆脱了四维时空的束缚。
因为光速就是四维时空的界限,一旦超过了光速,肯定就摆脱了四维时空,到达一个未知的世界,或许是更高维的时空,具体什么样子,我们就不得而知了。
所以,在你超光速飞行的一瞬间,就已经飞出了宇宙,根本不用一直飞下去!但四维时空恰恰阻止着我们超光速飞行,所以,这就形成了一个矛盾。
人类能解决这个矛盾,从而实现“超光”飞行吗?
或许未来的人类能做到这点,通过超光速飞行到达另一个完全不同的世界,但目前来看是不可能的。
它说,一个系统的熵只会随时间增加,不会减少。
这也是唯一一条能指明"时间箭头"朝哪走的物理定律。
熵,说白了就是无序的程度:熵越低,结构越有序;熵越高,越散乱。
糖从浓处向淡处扩散、气体膨胀、咖啡放凉,背后都是熵在增加。
人们相信,宇宙的演化也遵循这条定律。
宇宙早年处于低熵状态,一路演化到高熵。
可就在这个过程中,宇宙造出了一些极其复杂的结构——星系就是代表。
星系的熵很低,却是在一个高熵的环境里形成的。
这看起来像是在违反第二定律。
这个存在已久的矛盾,正是物理学家金妮斯特拉·比安科尼想解决的难题。
引力、熵与量子信息的交织,是比安科尼理论的视觉主题(图片来源:Physics World) 在爱因斯坦的广义相对论里,有个叫"度规"的数学对象,描述时空是怎么弯曲的;物质沿着这条弯曲走,就表现成了引力。
而在量子力学里,"算符"是对量子态做变换的数学工具。
比安科尼的关键一步,就是把这个"度规"当成量子算符来用,用量子化的方式描述时空的几何。
这样一来,会冒出两个"度规":一个是"真实"的时空度规,一个是由物质和能量诱导出来的度规。
两者之间"差多少",用量子信息论里的一个量来度量,叫量子相对熵。
正是这两个几何之间的量子相对熵,决定了时空怎么演化——换句话说,它给出的运动方程,就是引力。
在低曲率极限下,这套方程能精确还原爱因斯坦的广义相对论。
可一旦超出这个极限,方程就得被一个叫"G场"的对象修正。
G场生出一个暗能量项,而且是动态的。
暗能量被认为是直接推动宇宙膨胀的东西;在标准广义相对论里,它由静态的宇宙学常数驱动。
现在冒出一个动态的暗能量项,就有了被实验检验的机会。
比安科尼又把这套理论用到了弗里德曼-罗伯逊-沃克(FRW)宇宙模型上。
这是广义相对论对宇宙行为的一级近似,假设宇宙各向同性、处处均匀、且在膨胀。
膨胀由宇宙的主导成分驱动——暗物质、普通物质,或辐射。
宇宙膨胀时,体积变大,总熵也跟着变大。
但正因为体积涨得更快,单位体积里的熵——也就是熵密度——反而随时间下降。
总熵在涨,局部熵密度却在降,这就给了星系、甚至生命这类低熵结构一个在膨胀宇宙里被造出来的机制。
那这算不算违反第二定律?比安科尼用非空的 FRW 宇宙算了一遍总熵:要把熵密度在整个时空区域上积分,而因为体积随时间变大,总熵成了时间的函数——膨胀的速度超过了熵密度衰减的速度。
所以对辐射主导和物质主导的宇宙,总熵依然随时间增加,第二定律照样成立,尽管局部熵密度在下降。
比安科尼强调,GfE 理论还很年轻,需要实验来验证。
但这项工作揭示了它内在的热力学本质,为经典引力与量子引力都打开了新路——把引力用"量子信息"和"熵"来表述,也许正是通向"量子化引力"这个百年难题的另一条路径。
引力,也许并不是什么神秘的基本力,而只是信息与熵的必然结果。
若真如此,宇宙为什么要演化、为什么能长出星系和生命,答案也许就藏在这条最普通的第二定律里。
来源:S. Jones, "Could quantum information theory explain universe evolution?" Physics World, 14 Sep 2026. 报道所引研究:G. Bianconi, Physical Review D.
每次模拟都追踪了13.4万亿个暗物质粒子在286亿光年宽度区域内的演化过程。
这一成果有助于科学家研究宇宙暴胀,并为分析大型巡天观测数据提供重要支撑。
左图为百亿亿次级模拟生成的全天空光锥图;右图外圈显示宇宙微波背景辐射,扇区分别展示视线速度(红/蓝)、物质密度(灰)和引力势(绿/蓝)。
图片来源: 美国阿贡国家实验室 宇宙暴胀理论认为,极早期宇宙曾经历一段短暂而剧烈的快速膨胀。
这一过程将微观量子涨落拉伸到宇宙尺度,留下微小的密度差异;随后,引力把这些差异不断放大,最终形成我们今天看到的星系、星系团和宇宙大尺度结构。
然而,暴胀背后的具体物理机制仍未完全确定。
通过研究物质在宇宙中的分布,有望找到更多线索,探索宇宙最早期的秘密。
暗物质无法被望远镜直接看见,却凭借引力主导星系形成,并塑造更大尺度的宇宙结构。
在模拟中,暗物质粒子被用作暗物质密度和速度分布的“示踪剂”,团队由此得以追踪宇宙结构跨越数十亿年的演化轨迹。
标准宇宙暴胀模型预测,早期宇宙的密度涨落服从高斯分布,也就是最简单的一类随机模式。
科学家正努力寻找其中可能存在的微小偏差,即“原始非高斯性”。
一旦发现可测量的偏差,就可能暗示暴胀时期还存在其他场、相互作用或动力学过程,从而帮助区分关于宇宙最初时刻的不同理论。
然而,这类信号极其微弱,还可能被“宇宙方差”掩盖——由于观测只能采样宇宙的有限体积,统计不确定性难以完全消除。
因此,探测此类信号需要覆盖最大宇宙尺度的超大规模模拟。
而如此规模的模拟对算力要求极高。
团队在阿贡国家实验室的“极光”超级计算机上完成了计算。
模拟及大部分数据分析约4天完成,目标正是揭示宇宙暴胀的物理本质。
这些模拟数据将助力分析多项大型巡天项目,包括美国能源部支持的暗能量光谱仪(DESI)和NASA的SPHEREx任务,两者目前均处于数据采集阶段。
模拟与前沿观测相互印证,将共同描绘出更为精细的宇宙图景,推动人类对宇宙起源与演化的探索。
来源:科技日报