摘要：仙女座星系，直径约 22 万光年，距离地球竟有 250 万光年之遥 。这意味着，光以每秒约 30 万公里的速度疾驰，也需要整整 250 万年才能抵达。在我们的常规认知里，这样的距离几乎是一道无法跨越的鸿沟，飞船似乎根本不可能在短时间内抵达。

仙女座星系，直径约 22 万光年，距离地球竟有 250 万光年之遥 。这意味着，光以每秒约 30 万公里的速度疾驰，也需要整整 250 万年才能抵达。在我们的常规认知里，这样的距离几乎是一道无法跨越的鸿沟，飞船似乎根本不可能在短时间内抵达。

人类目前的航天技术，与实现这样的星际旅行还相差甚远。迄今为止速度最快的探测器帕克号，速度也不过 192.2 公里 / 秒，并且这还是借助行星引力弹弓效应才达到的速度。人类探测器真正的巡航速度代表，是 1977 年发射的旅行者一号和二号，它们的固定速度是 17 公里 / 秒，以这样的速度，想要飞出太阳系都需要至少 3 万年，更别提前往 250 万光年外的仙女座星系了。

那么，为什么说接近光速飞行，28年就能到达250万光年外的仙女座星系呢？

要解开这个看似不可能的谜题，我们首先需要重新审视光年的概念以及时间的相对性。

光年，作为天文学中常用的距离单位，指的是光在真空中沿直线传播一年所经过的距离，约为 9.46×10¹² 千米 。

这个定义是以地球为参照系来计算的，是我们人类在自身的时空框架下对距离的一种度量。在我们的日常认知里，光飞行一年的距离就是一光年，这是基于速度乘以时间的简单距离计算。

然而，当我们深入到光的世界，情况却截然不同。

对于光本身而言，它没有时间概念。根据爱因斯坦的狭义相对论，速度越快时间就越慢，当物体的速度无限趋于光速时，时间就趋于停止，这就是著名的时间膨胀效应，也被称为钟慢效应 。光以宇宙中最快的速度 —— 光速传播，对于光来说，时间是静止的，这意味着光可以在一瞬间飞行任何遥远的距离。无论是一光年，还是一千光年、一亿光年，光都能瞬间抵达，因为在光的参照系中，时间的流逝为零。

速度对时空的影响并不仅仅局限于时间，还涉及空间，这就是尺缩效应。由于时间和空间是一体的，时间膨胀效应和尺缩效应总是同时出现且相互关联 。同样以光为例，光不仅没有时间概念，也没有空间概念。对于光来说，不管多远的距离都近在咫尺，这就是为什么光能够瞬间跨越遥远星际空间的原因，它所感知的空间距离被极度压缩，整个宇宙在光的 “眼中” 仿佛被浓缩成一个点，所有的天体都触手可及 。

爱因斯坦在 1905 年提出的狭义相对论，彻底改变了我们对时间和空间的认知 。其中，时间膨胀效应是狭义相对论的重要结论之一。根据这一理论，时间的流逝并非绝对不变，而是与物体的运动速度密切相关。当一个物体相对于另一个物体运动时，运动物体上的时间会比静止物体上的时间流逝得更慢，而且速度越快，这种时间变慢的效应就越明显 。

时间膨胀效应可以通过一个简单的思想实验来理解。

假设有一个光子钟，它由两面平行的镜子组成，一个光子在两面镜子之间来回反射，每次反射的时间间隔被定义为一个时间单位 。当光子钟静止时，光子在垂直方向上做直线运动。

但当光子钟以高速运动时，从静止观察者的角度看，光子的运动轨迹变成了一条斜线，光子需要走过更长的距离才能完成一次反射 。由于光速在任何惯性参考系中都是恒定不变的，根据速度等于路程除以时间的公式，为了保证光速不变，光子完成一次反射所需的时间就会变长，这意味着运动中的光子钟时间变慢了 。

与时间膨胀效应紧密相连的是尺缩效应，它同样是狭义相对论中关于时空相对性的重要体现 。尺缩效应指的是，当一个物体相对于观察者以高速运动时，在运动方向上，观察者所测量到的物体长度会比物体静止时的长度更短 。这种长度收缩并非是物体本身的物理结构发生了改变，而是由于时空的相对性导致的观测结果 。

还是以飞船为例，当飞船以接近光速的速度飞行时，从地球上的观察者角度来看，飞船在运动方向上的长度会缩短。而且，飞船的速度越接近光速，这种长度收缩的现象就越明显 。当飞船速度无限接近光速时，长度（空间）将趋近于 0，这意味着在地球上的观察者眼中，飞船在运动方向上的长度几乎消失了 。

尺缩效应与时间膨胀效应是等价的，它们同时出现，共同揭示了速度对时空的影响 。在高速运动的情况下，时间和空间不再是相互独立、绝对不变的概念，而是紧密交织在一起，相互影响 。这种时空的相对性打破了我们日常生活中的直觉认知，但已经在许多高精度的实验中得到了验证，例如在高能粒子加速器中，对高速运动粒子的观测就证实了尺缩效应和时间膨胀效应的存在 。

尽管从理论上来说，只要飞船的速度足够接近光速，就可以在极短的时间内跨越遥远的距离，抵达 250 万光年外的仙女座星系。然而在实际的星际旅行中，飞船从地球出发前往仙女座星系，绝不可能瞬间达到光速，它必然需要经历一个复杂的加速和减速过程 。

在旅程的前半程，飞船需要不断地加速，尽可能地接近光速，以利用时间膨胀效应和尺缩效应来缩短航行时间 。这就如同汽车在启动时，需要逐渐踩下油门，使速度慢慢提升，而不能瞬间达到高速行驶状态 。飞船的加速过程需要持续消耗大量的能量，这对能源供应和推进系统提出了极高的要求 。

目前，人类已知的能源中，可控核聚变被认为是最有潜力的星际航行能源之一，但实现可控核聚变技术的突破并将其应用于飞船推进，仍然面临着诸多技术难题和挑战 。

当飞船接近仙女座星系时，后半程的减速过程同样至关重要 。如果飞船在到达目的地时仍保持着接近光速的高速，那么它将直接飞掠过仙女座星系，根本无法实现对该星系的探索 。因此，飞船需要在合适的时机开始减速，就像汽车在到达目的地前需要提前刹车一样 。减速过程不仅需要消耗大量能量，还需要精确控制减速的力度和时间，以确保飞船能够安全、准确地抵达目标位置 。

在星际旅行中，人体对加速度的承受能力是一个不可忽视的关键因素 。人体能承受的加速度是有限的，通常情况下，一个 g 的加速度被认为是合理且舒适的，这也是人类在地球上每天所感受到的重力加速度 。在地球上，我们无时无刻不受到一个 g 的重力作用，我们的身体已经适应了这种加速度环境，所以日常活动中不会感到不适 。

科学家们通过实验发现，在极端情况下，人类能够在短时间内承受 10 个 g 的加速度 。然而，这种高加速度对人体的生理机能会产生极大的负担，会导致血液在体内的分布发生变化，使人体出现诸如头晕、恶心、视力模糊等不适症状，甚至可能对身体器官造成损伤 。长时间承受如此高的加速度，人体根本无法承受，更不用说进行长达数年的星际旅行加速过程了 。

特别是对于前往 250 万光年外仙女座星系的漫长旅程，飞船需要数年不断地加速，这就必须保证人体有足够的舒适感和承受力 。如果加速度过大，宇航员在飞船内将难以正常生活和工作，甚至可能危及生命安全 。

因此，在设计星际飞船的加速方案时，必须充分考虑人体对加速度的承受极限，采用合适的加速度值，以确保宇航员能够在整个旅程中保持健康和良好的状态 。

基于前面所阐述的理论与实际挑战，我们来详细探讨一下飞船如何能在 28 年左右抵达 250 万光年外的仙女座星系 。

假设飞船以一个 g 的加速度不断加速，然后在后半程以一个 g 的加速度不断减速，这样的设计既可以保证飞船到达仙女座星系时速度为零，又能让宇航员在整个旅程中处于较为舒适的环境，避免因过大加速度而承受身体上的不适 。由于旅程的对称性，我们只需要计算前半程以一个 g 的加速度飞行 125 万光年所需要的时间，然后将这个时间乘以 2，就能得到总时间 。

这个计算过程并非简单的线性数学运算，因为随着飞船的速度越来越接近光速，时间膨胀效应变得极为显著，必须将其纳入计算之中 。时间膨胀效应会使飞船上的时间流逝速度相对于地球时间大幅减缓，这就导致飞船上的时间与地球上所观察到的时间出现巨大差异 。通过运用狭义相对论中关于时间膨胀效应的公式，以及考虑加速度情况下的相关公式进行精确计算 ，最终我们会惊奇地发现，飞船飞行 250 万光年的距离大约只需要 28 年时间 。

然而，当我们从地球的角度去观察这艘飞船的旅程时，情况却截然不同 。在地球上的观察者看来，飞船仍需要大约 250 万年的时间才能到达仙女座星系 。

这是因为在地球的参照系中，时间的流逝是按照我们日常生活中所熟悉的方式进行的，并没有受到飞船高速运动所带来的时间膨胀效应的影响 。也就是说，当飞船上的宇航员经历了短短 28 年的旅程到达仙女座星系时，地球上已经沧海桑田，250 万年的漫长岁月已经悄然流逝，曾经熟悉的一切或许早已发生了翻天覆地的变化 。

来源：宇宙探索