深度长文：光速为什么不能被超越？（超10000字，请耐心阅读！）

简单讲，因为相对论的一个最基本的原理，就是光速是任何运动的速度极限，是不可能被超过的，而一旦允许超光速运动，那么相对论本身就被推翻了，又何谈「根据相对论」呢？

自从相对论诞生以后，我们看到，时间和空间再也不是两个毫无关系的概念了，时间和空间就像是焦不离孟、孟不离焦的一对结义兄弟，又像是难分难解地纠缠在一起的 DNA 双螺旋结构，我们再也不能只谈空间而不谈时间，只谈时间而不谈空间。

爱因斯坦指出，时间和空间不仅不能独立于宇宙，而且不能互相独立，引力不可能只使得空间弯曲而时间却安然无恙。

从此我们多了一个新的名词——时空。请注意，千万不要把「时空」等价于「时间和空间」，时空就是时空，它是一个整体，就好像你不能把「牛奶」看成是「牛」和「奶」的简单相加一样。

被我这么一解释，我知道你开始对「时空」这个词感到疑惑了，你能想象出时间，也能想象出空间，但是你却无法想象出时空的模样。

请跟随我来，让我来帮你在头脑中建立「时空」这个诞生于 20 世纪的伟大名词，它是人类对宇宙认识的一次大飞跃，我将再次带你踏上一次惊奇之旅。

时空中的运动

我们的故事要从一次跑步开始讲起，这个故事无所谓年份，无所谓地点，无所谓具体人物。

为了叙述的方便，就让我们一起去学校的操场跑步吧。现在，让我来计时，你来跑步。我们的规则是跑两次，白天一次，晚上一次。你先克制一下你的疑惑，让我们跑完再说。白天这次你跑了 16.8 秒，离达标还差一点。为了晚上取得更好的成绩，你努力锻炼了一下，试图恢复一些当年的勇猛。晚上又跑了一次，这次你自我感觉很不错，觉得应该会比白天那次跑得更好一点，可是我把成绩一告诉你，你却吃了一惊，怎么反而只有 17.2 秒了？

下面这幅示意图可以解释为什么你晚上状态更好，成绩却更差了。原因很简单，晚上视线太差，黑漆漆的你跑了一条斜线都不自知。

跑步的方向不一样导致成绩不同

看了这张图，你恍然大悟了，原来你小子让我在晚上跑步是别有用心的，故意就是要让我把方向跑偏。你不用生气，为了科学，牺牲这么点儿自尊不要紧。现在我来问你：「假设你两次跑步的速度是一样的，为什么晚上的用时比白天更长了呢？」

你白了我一眼说：「你这不是明知故问嘛，晚上我方向跑偏，跑的路程更长了，所以用时就更多了。」

我说：「回答正确，用距离来解释这个现象是我们最直观、最朴素的想法。但是你知不知道，还有另外一种更抽象的解释，在这个解释中，我们不需要距离这个概念。」

你说：「哦？什么解释，你说说看。」

我说：「你刚才自己也提到，运动是有方向的，你的运动速度我们可以分解为 x 轴方向的速度和 y 轴方向的速度的合成速度。假设你跑步的速度是 v，白天跑步的时候，你在 y 轴方向的速度是 vy= 0，而在 x 轴方向的速度 vx= v。但是到了晚上，你在 y 轴方向的速度大于零，在合成速度不变的情况下，你在 x 轴方向上的速度就必然小于 v 了。这就好像在 y 轴方向的速度分走了一部分你的跑步速度，你在 x 轴方向上运动的速度变慢了，所以你晚上的成绩不如白天。」

你若有所思地点点头说：「明白了，速度的方向看来很关键。」

千万别小看这个看起来更抽象一点的解释，这是我们对运动本质认识上的一次大飞跃。我们认识到，任何一个物体在空间中的运动速度，都可以分解为在互相垂直的三个方向上运动的合成，像下面这个示意图显示的那样：

物体的运动速度是三个方向的合成速度

一个物体的运动速度 v 是由它在 x、y、z 三个轴方向上的速度的合成，如果总速度恒定的话，其中一个方向上的速度增大，另外两个方向上的合成速度就必然减小，就好像速度是被切成三块的蛋糕，你可以随便怎么切这三块，但是蛋糕的总大小不会改变。这 x、y、z 三个方向，物理学家用了一个听起来很「拉风」的词来描述，那就是「维度」。我前面所说的概念如果让物理学家来说的话，他们就会说：「物体在三维空间中的运动可以分解为在三个维度上的运动合成」。这种物理学描述方式听起来很拉风，但其实意思跟我们前面用方向来表述是一样的。

下面又该爱因斯坦登场了。爱因斯坦向我们大声宣布了一个惊人的发现，他说：「这个宇宙中任何物体的运动速度都是光速 c。对，没错，你我的速度是 c，太阳、月亮、星星，还有光本身，我们的运动速度都是光速 c。只不过这个速度不是在三维空间中的速度，而是在「时空」中的速度。除了空间的三个维度以外，我们必须再增加一个维度，这个维度就是时间，多了个时间维度后，空间就不再是空间，时间也不再是时间，而是纠缠在一起成为时空。时间空间是一个整体，我们每个人都是生活在这样一个四维时空中，我们每个人在时空中的运动速度都恒定为 c，永远不会快一丁点儿，也不会慢一丁点儿。」

这个发现实在是太让人震惊了，如果我们把爱因斯坦的这个发现画成一个简单的示意图的话，就会是下面这个样子：

物体在时空中的运动速度恒定

你是不是已经在头脑中模模糊糊地建立起了时空概念了呢？一旦我们明白了时空的含义，就会发现，任何物体的运动速度不再是把蛋糕切成三块了，而必须切成四块，蛋糕的总大小永远恒定为 c。

这是一个如此简洁、优美而深刻的发现，这是人类对宇宙认识的一次飞跃。每当我想起它，总是一次又一次地被深深震撼。用这个简洁而深刻的思想来解释狭义相对论中关于时间和速度的关系，就成了天经地义的事情：物体在空间中的运动速度会分走在时间中的运动速度，空间中运动得越快，在时间中就越慢。时间空间是一个密不可分的整体，任何物体都是在时空中做着相对运动，时间和空间是互相垂直的两个维度。运用这个思想，就可以用普通的速度合成公式极其简单地推导出相对论因子。

这个思想还蕴含着这样一个显而易见的事实：物体在空间中的运动速度有一个极限，那就是光速 c。我们不再需要用眼花缭乱的质能公式和牛顿第二运动定律去联合解释为什么光速是极限，这个时空运动的思想简洁而有力地告诉我们：假设物体的运动速度完全从时间这个维度中转移到空间中，那么物体在空间中的运动速度就达到了最大速度 c。以光速在空间中运动的事物，在时间中就停止运动了，所以，光是不会变老的，从宇宙大爆炸中诞生出来的光子仍然是过去的样子，在光速运动中，没有一丁点儿时间的流逝，时间真的停止了。现代的相对论学家认为，光速 c 很可能是我们这个宇宙时空的一个几何性质，就像圆周率是π，它是一种数学性质，跟物理性质无关。

从此，我们不再分开谈论时间的流逝和空间中运动的速度，只要是运动，就是在时空中的运动。当你进行百米冲刺的时候，你我在时空中进行着相对运动，空间发生变化的同时，时间也一定会发生变化。看来，我们经常在科幻小说中看到的「时空穿梭」其实一点儿都不稀奇，你大可以理直气壮地宣布：我以百米冲刺的速度在时空中穿梭，我们每个人每时每刻都在时空中穿梭。

你也可以理直气壮地宣布：我离一秒钟前的自己距离 30 万千米。这真是一个遥远的距离啊，如果你和你的爱人错开了一秒钟，那么你要不停地步行九年半才能追上你的爱人。我们都是生活在低速世界中的生物，我们在空间的三个维度中能达到的速度和光速相比实在是小得可怜，这才会让我们产生时间和空间这两个完全不同的概念。如果我们想象宇宙中有一种日常生活的速度都是接近光速运动的智慧生命，那么在那些智慧生命的概念中，将不再区分时间和空间，在它们的感觉当中，时间和空间只不过是不同的方向而已，他们看狭义相对论的各种效应都会像我们看太阳的东升西落和大自然的花开花落一样平常。在相对论学家的眼里，时空才是我们这个宇宙的本质。请你务必在头脑中牢牢地建立时空这个概念，牢牢地记住没有单纯的空间运动，这对于理解我们后面要讲的东西至关重要。

四维时空

其实，我们在日常生活中早就已经有了四维时空的概念。不是吗？回忆一下你和朋友约会是怎么约的。「我们在老地方（人民广场喷水池旁）见」，只是这么一个空间坐标够吗？如果就这么一句话的话，你们俩多半还是见不了面，你还得再加一句「老时间（晚上七点）」，这样你们才能确保双方达成了一个准确的协议，也就是说一个约会的事件在时空中的坐标必须包含四个维度的信息，空间的三个维度加上时间的一个维度。

在我们低速的地球世界中，似乎「老时间老地点」这句话已经能确保你和朋友见面了；但是，如果我们到了银河联邦的莱因哈特时代（什么？你不知道银河联邦和莱因哈特是谁？那杨威利也不知道吗？拜托，《银河英雄传说》（田中芳树著）怎么能没看过？我不管了，凡是不看「银英传」的人，我不照顾了，默认当大家都看过的，本人是「银英」迷），在银河帝国时代，如果只是这么一句约会的口头禅很可能就要犯大错了，你和朋友多半永远也见不着面了。

因为没有设定统一的时空坐标参考系，那可真就是差一秒就差十万八千里还多了。

不过，在时空的四个维度中，时间这个维度有一点特殊性，那就是你只能在时间这个维度中朝一个方向运动，而空间的三个维度可以朝正反两个方向运动。

本文主要讲的是时间旅行、星际殖民和星际贸易这三件有趣的事情。但是请各位读者千万注意，我绝不是在创作科幻小说，我要从科学的角度去帮你分析和看待以上三件科幻小说中最常出现的元素，帮你提高以后欣赏科幻小说的能力，帮你找出科幻小说和幻想小说的区别。

时间旅行

让我们先从最让你感到激动的时间旅行开始说起吧。

现在这年头，穿越类的小说真多，俨然已经成为各大文学网站和影视剧的一个大类，各种各样的穿越手法真是五花八门，令人眼花缭乱，不过那种「月光宝盒」式的无厘头穿越不在我们今天讨论范围之列。偶尔你也会看到一些对穿越行为的「科学原理」的描述，其中最多的是说「根据相对论，只要速度能超过光速，我们就可以回到过去」。各位，以后凡是看到这种利用超光速穿越的小说，可以立即定义为「科盲幻想小说」，

简称「盲想小说」。 这种「根据相对论，超光速就能穿越」的科学原理简直自相矛盾得一塌糊涂。相对论的一个最基本的原理，就是光速是任何运动的速度极限，是不可能被超过的，而一旦允许超光速运动，那么相对论本身就被推翻了，又何谈「根据相对论」呢？这是一个显而易见的自相矛盾，那么多的「盲想小说家」把这个奉为至宝——但凡穿越，必超光速，实在是让我异常惊讶。

那我们来了解一下，真正的物理学家研究的时间旅行到底是一些什么样的科学原理和依据吧。

时间旅行是广义相对论研究的课题，目前全世界确实有很多严谨的科学家在探讨这方面的可能性。根据广义相对论，引力会使时空弯曲，引力越强，则时空的弯曲程度越大。也就是说，根据广义相对论的这个原理，我们会发现时空不是平坦的，时空是有形状的。

我知道我这么说还是让你感到不太明白，那么我就来打一些粗糙的比喻来帮助你理解。我们首先把时空想象成一张纸，我们在时空中运动，就好似沿着纸面运动，但是请注意一点，如果这张「时空纸」延伸的方向表示时间这个维度的话，那么我们只能朝着一个方向运动，因为时间维是只能朝一个方向运动的，这是时间维的物理性状。

在平坦的时空中朝着时间的方向运动

但是请千万注意一点，在爱因斯坦的时空观里，这张纸是不平坦的，有起伏，有褶皱，我们在「时空纸」上的运动就像在崎岖不平的山路上走路一样，是高高低低的。

真实的时空不是平坦的

现在假设我们在一个平坦的时空中，上午 8︰00 出发，从时空的一头运动到另外一头，到达终点的时候，刚好是上午 9︰00（注意，前面我们已经说过，任何物体在时空中运动的速度都是光速，所以，在这个比喻中，你就不要再问我们的运动速度是多少这样的傻问题了）。现在再假设我们经过的这段时空被某种力量弯曲了，那么我们达到终点的时候，会变成上午 8︰30；如果弯曲的更厉害一点，我们就会在 8︰10 分到达终点。

随着时空弯曲程度加大，到达时间越来越早

现在重点来了。如果时空这张纸被弯曲成了一个莫比乌斯带的形状，头尾相连了起来，你就有可能在 7︰50 达到终点。也就是说你沿着弯曲的时空走了一圈回来以后，发现到达的时间比你出发的时间竟然还早。这意味着你回到了过去。

在一个时间圈环中，到达时间早于出发时间

因此，在广义相对论中，时间旅行的科学原理是通过一个时空的圈环回到过去，这个时空圈环在《时间简史》这本书中被霍金称为「类时闭合曲线」（有点拗口，我更喜欢我翻译的「时空圈环」）。爱因斯坦的狭义相对论是不允许时间旅行的，等到广义相对论刚刚诞生的时候，爱因斯坦也不认为时空能弯曲成一个圈环。直到 1949 年，他的好朋友——大数学家哥德尔（Godel,1906-1978）在广义相对论方程中发现了一个解，这个解居然允许宇宙中这种时空圈环存在。爱因斯坦当时就震惊了，但随后他就意识到这个时空圈环正是自己和助手罗森一起发现的「虫洞」的某种特性。

所以，靠谱一点的时空穿梭原理一般都要借助虫洞来完成，以后看穿越小说记得先翻翻，有没有提到爱因斯坦—罗森桥或者虫洞什么的。

非常抱歉，前面出现了一个让你莫名其妙的名词——莫比乌斯带。不是我故意不解释，而是这个东西实在是太迷人了，我非得另起一段单独讲讲才觉得过瘾呢。莫比乌斯带，也经常被叫作魔比斯环，或者梅比乌斯带、麦比乌斯带等等，都是翻译带来的麻烦，英文名称是 Mobius Strip。这是诸多科幻小说、科幻电影经常出现的一个神奇事物，它往往象征着时空穿梭。以它的发现者莫比乌斯命名，到现在也快有两百年了。

莫比乌斯带

看到没？上面这个就是莫比乌斯带，其实就是把一张纸条的一头拧半圈然后和另一头粘起来，形成一个圈圈。但是你千万千万不要小看这个圈圈，这个圈圈有着许许多多迷人的特性。如果你在这个圈圈上跑步，你就可以一直往前跑，不用翻越任何边界而跑过所有的面。如果你拿一只毛笔，沿着纸面只用一笔就可以把颜色涂满整个纸带。这个圈圈和我们平常认识的任何像手镯这样的圈圈不同，这个莫比乌斯带只有一个面，如果你沿着手镯表面的中线一刀剪下去，那么手镯就会一分为二成为两个各自独立的手镯。但是神奇的是，如果你同样沿着莫比乌斯带的中线剪一圈，你会发现，这个莫比乌斯带不会一分为二，而是会成为一个更大的圈圈。然后你再沿着这个圈圈的中线剪开，你会神奇地发现，这次剪出了互相嵌套在一起的两个圈圈。然后把两个圈圈再各自沿着中线剪开，又会变成互相嵌套的四个圈圈。

这么剪下去永无止境，最后圈圈套圈圈复杂得可以把你搞疯掉。你是不是很有冲动去试试看了？别忙，还有更有意思的特性。首先来跟我认识一下所谓自然界中的「左右手系」对称。想一下左右两只手套，这两只手套你怎么看它都像是对称的，但问题是，如果你不把手套在空间中翻一个面的话，你永远也无法把两只左右手套完全重合地上下叠在一起，就好像你怎么也不能把左手套在不翻过一面的情况下戴进自己的右手中。不过，如果你让一只左手套沿着莫比乌斯带转刚好一圈（不是两圈），这只手套就会翻过一面成为一只右手套，但是请千万记住它的神奇之处就在于：如果手套有感觉的话，它根本不会发现自己其实被翻过了一个面，在它的感觉中，它只是沿着一个面不停地运动，不知怎么的就从左手系变成了右手系，再运动一圈又变回了左手系。真是要命的感觉。

左手套转一圈变成了右手套

伽莫夫写的著名的科普经典《从 1 到无穷大》中就说，如果类似莫比乌斯带这样的事情也能发生在三维空间中，我们的鞋子制造商就会大为欣喜，他们只要生产左脚的鞋子，然后通过莫比乌斯空间传送带转一圈回来，就成了右脚的鞋子，真是爽死了。而一个人如果上了这个莫比乌斯空间传送带，转一圈回来则发现自己的心脏跑到右边去了，这就不爽了。但问题是，我们很容易想象两维的纸片做成的莫比乌斯带，那到底有没有三维的物体形成像莫比乌斯带这样神奇的左右手系互转的形状呢？答案是有的，1882 年德国数学家克莱因（Klein,1849-1926）找到了一种以他的名字命名的模型，叫作「克莱因瓶」。

克莱因瓶

瞧瞧，就是这种极其怪异的瓶子（但这仅仅是克莱因瓶的近似样子，真正的克莱因瓶是没法直接做出来的，因为真正的克莱因瓶是不会互相穿过的，这需要一点空间扭曲的想象力）。你盯着它看 3 分钟，想象你在这个瓶子的表面跑步的情景，我保证你会越看越神奇，越看越觉得不可思议，直到逻辑彻底混乱为止。你想象一下，如果时空扭曲成这种神奇的形状，那么你就完全有可能坐着宇宙飞船从 21 世纪出发，到 19 世纪返回；穿越了一个世纪的时间，如果继续往前又会返回 21 世纪。

太神奇了，物理学家居然真的给他们搞出了一套回到过去的理论。但是很快，人们就发现，如果允许回到过去的话，会产生一些逻辑上的悖论，或者说一些怪圈。比如最著名的「祖母悖论」，你可能早已耳熟能详了，就是你如果回到过去杀死了你的祖母，那么你祖母既然死了，你又怎么能存在？你不存在了又怎么能回去杀死你的祖母呢？我总觉得这个故事写得拗口不已，完全没必要这么复杂的嘛，简单说来就是如果你回到过去杀死以前的自己的话，又怎么能有后面的你回到过去自杀呢。

总之，这样的祖母悖论型的逻辑悖论我们随便就能想出很多很多。有一个最变态的悖论说的是，你在未来给自己做了变性手术，然后回去找到自己，和原来的自己生下了自己。我真服了想出这个逻辑悖论的「淫」（人）。这些悖论又如何解决呢？物理学家们研究广义相对论，确实用严谨的数学方法论证出了时空圈环的可能性，但是祖母悖论又显然在挑战我们的常识，没有人能接受祖母悖论会真的发生。

现代的物理学家们为此争论不休，想出了各种各样的解决方案来避免逻辑悖论的发生，有代表性的解决方案有这么几种：

第一种，叫作自由意志丧失说。物理学家说所有该发生的历史都已经发生了，你不可能改变这个历史，所以一旦你回到过去，你就会丧失自由意志，你完全被历史所控制，你无法改变任何历史的一丁点。

第二种，叫做时空交错说。物理学家说你是可以回到过去，但是你回到的那个时空和真实的历史时空是平行纠缠在一起的，但永远不可能相交，你可以看见历史，但不能影响历史。这个我听懂了，不就是说「只能看，不能摸」嘛。

第三种，叫做多历史说。这个理论首先是由一个叫费曼（Feynman，1918—1988）的美国物理学家提出来的，他说历史不止有一个，你可以回去杀死你的祖母，你也可以回去干任何事情，甚至杀死罗斯福让希特勒取得胜利，什么都可以干。但是请记住，你影响的那个历史和我们这个世界的历史不是同一个。换句话说，当你干下了任何改变历史的事情时，世界就分裂成了两个世界，在我这个世界中希特勒倒台了，在你那个世界中希特勒最后成了全世界的偶像。说老实话，这个理论真够疯狂的，为了让时间旅行合理，动不动就克隆出无数个世界出来。但恰恰是最后这个看起来最疯狂的理论，却得到了最多物理学家的支持，包括像霍金这样的大科学家也支持该理论（霍金《大设计》）。这就是现在大热的「平行宇宙」说。

难道物理学家都疯了吗？这世界有这么疯狂吗，怎么会去相信听起来如此不靠谱的一个理论呢？这是有原因的。因为在过去几十年中，随着物理学家们对量子物理的深入研究——所谓的量子物理，就是研究比针尖还小几万万万（至少还得打好几个万）亿倍的基本粒子的行为的物理学。物理学家们越来越发现，这个世界真是不可思议，很多微观世界的现象只能用一些听起来很唯心的、很过分的、很疯狂的理论去解释，否则如果按常理的话怎么也说不通，包括这个多历史的现象似乎在微观世界中每时每刻都在发生着。

你可能也看出来了，真要想时间旅行，以我们人类现在的技术是不可能达到的。要扭曲时空就必须要有巨大的引力，产生引力就要有巨大的质量，而质量和能量又是可以互相转换的，所以归根到底要有巨大的能量。日裔美籍著名的物理学家和科普作家加来道雄在他的《不可能的物理学》中曾经做了一个简单的计算，说：「如果我们能把太阳一天放出的能量全部采集下来的话，可以打开一个只有几纳米大小的虫洞，这个虫洞最多只能允许把你分解成无数的原子通过后，再在另外一头组装起来。」这个能量大约是多大呢？太阳 24 小时放出的能量大约是 1028 千瓦时，2015 年全球消耗的能量大约是 1014 千瓦时，两者相差了 1014 倍，也就是 100 万亿倍，换句话说，太阳一天放出的能量就够地球使用 100 万亿年，呜呼，看来真是难啊。

但你可能也会跟我一样想到这样一个问题，我们现在是没有能力制造时间机器，但是未来人呢？如果在遥远遥远的未来有人造出了时间机器，那么那个人就有可能乘坐时间机器，回到我们或者我们以前的时代。但是为什么我们从来没有见到过这样的未来人呢？历史上也从未记载有未来人光临。假设未来无限远的话，假设时间机器确实可以造出来的话，那么概率再小也应该有未来人回来了啊。有这个想法的人还真不少呢，2005 年，为了庆祝国际物理年，同时也是为了庆祝相对论诞生 100 周年，美国麻省理工学院举办了一场「时间旅行者大会」，举办方郑重地在报纸上刊登广告，邀请未来的时间旅行者光临会场，并且携带未来的物品作为证据。大会开了一天，确实来了很多「旅行者」，可惜没有一个能让人相信是「时间旅行者」。这些旅行者都辩称时间旅行只能光着屁股旅行，就像施瓦辛格扮演的终结者那样，所以没有信物。各位亲爱的读者，这件事，你们相信还是不相信呢？

星际殖民

好了，关于时间旅行的话题我们就聊到这里。这个话题其实蛮有趣的，我建议你把我前面说的那些好好地看上三五遍，然后记下来，和朋友喝茶吃饭聊天的时候用自己的语言复述一遍，保证能让你大放异彩。本人就是经常这样放放异彩的，结局往往是话讲完了，菜也被别人吃完了。

讲完了时间旅行，我们该来说说同星际殖民有关的话题了。在《银河英雄传说》中，自由行星同盟的国父海尼森远征两万光年，去寻找适合人类居住的外星球。那么真正的星际旅行可能吗？会遇到什么样的事情？如果我们真的能在几十甚至几百光年（几万光年我是不敢想的）的范围内建立第二个、第三个地球，我们这些星际殖民者的日常生活和时空观念在相对论的理论下又该是一个怎样的情景呢？这类题材的科幻小说也不少，包括著名的《银河英雄传说》，但是小说中的很多事情都是不可能真实发生的，真实的世界可能会令人非常沮丧。让我们先从一堂令人沮丧的算术课开始这个话题吧。

如果我们要到太阳系以外的地方去殖民，首先我们至少要飞往一个恒星系，只有在恒星的附近才有可能出现适宜人类居住的星球，恒星就是那颗星球的太阳，给它温暖和能量，如果没有恒星，那么在黑漆漆的宇宙中我们肯定是会被冻死的。让我们仰观苍穹，看看满天的星星离地球有多远吧。天文学家早就发现，离地球最近的一颗恒星叫作比邻星（半人马座α星 C），距离我们的时空距离是 4.3 光年。所谓光年就是光跑一年走过的距离。光年这个单位，在你小的时候，看到后可能会认为是一个时间单位，长大后懂的多一点了，才知道是个距离单位。现在当你有了时空的概念以后，会发现光年这个单位其实是时空单位。在宇宙空间中，因为时空的不平坦性，其实你是没法用千米去定义距离的，在宇宙中只能用光年来定义时空距离，你可以把它看成是距离单位，你把它看成是时间单位也问题不大，时间空间已经成为一个整体，不分你我。

总之，即使是离我们最近的恒星听上去也是离我们非常遥远的，光都要走 4.3 年嘛。同学们，现在我们来做一些简单的数学计算，看看这颗比邻星离我们到底有多远。以人类目前掌握的技术而言，最快最快的宇宙飞船能飞得多快呢？即使是按照最乐观的估计，大概也只能达到光速的万分之一。来，算算看，它飞到比邻星得多少年？没错，是 4.3 万年。有没有搞错？！你惊呼一声，我以为人类的宇宙飞船已经够快了，没想到那么慢啊。抱歉，我这还是给足了人类面子了，阿波罗登月飞船飞到月球差不多用了四天时间，我已经让人类最快的宇宙飞船飞到月球的时间减少到三小时了。而且，我这还是忽略了加速和减速的时间（这大概还要耗掉两百年呢）。看来，以人类目前的技术实力，飞往比邻星是没戏了，4.3 万年，不用说人类的寿命问题，就算你能在飞船上生儿育女一代代地延续，也没有任何机器设备能工作那么久的时间，金属也会疲劳。

看来必须要提升飞船的速度。那么你们觉得至少要达到什么速度才有可能进行星际殖民呢？掐指一算，可能得出的结果是最低速度怎么着也得达到光速的十分之一，也就是 0.1c 吧，这样我们飞到最近的比邻星就只需要 43 年了。我们且不谈把速度从光速的万分之一提到光速的十分之一技术难度有多高，因为今天只是一堂算术课。

听起来貌似靠谱，从地球出发，算上加速减速的时间，飞 50 年到达目的地，到了以后发个电报回来告知情况，地球用四年多时间收到电报。这样的话，如果我有幸 30 岁的时候能到 NASA（美国国家航空航天局）参与这个伟大的比邻星探索计划，那么当我 84 岁的时候就有望听到从比邻星那边传回来的消息。总算马马虎虎还能接受，在我有生之年还是有希望知道实验结果的。

但是，同学们啊，千万别忘了，我们说的只是离地球最近的比邻星，我们的目的可是要寻找适合人类居住的星球，并不只为了到别的恒星系中看看风景。遗憾的是，比邻星系很可能找不到任何行星，去了也是白去。

按照现在天文学家的估计，我们距离最近的宜居行星，大概至少有 50 光年的距离。这也就意味着，我们即便达到了 0.1c 的速度，飞过去至少也要花 500 年的时间。并且随着最大速度的增加，加速减速需要消耗的时间也会迅速上升，要达到 0.1c 的速度，加速减速所需要的时间可能要占到总飞行时间的一半。显然，人类不可能到来回飞一趟要 1000 年的地方去拓展殖民地的，就好像你不能指望原始人靠游泳从欧洲去美洲新大陆拓展殖民地一样。这个速度还是不够快，还得提升。那你觉得，以 50 光年考量的话，我们的速度至少要达到多少，才有可能进行星际殖民呢？

你心里想着可能需要反算一下，也就是我们先设定多少年能飞到的心理预期，然后再反推要达到的速度。经过一番挣扎，你可能会想，好吧，不管怎样，让我在到达目的地后，能让我的亲人在有生之年知道我活着到达就可以了。但是我将非常遗憾地告诉你，不管我们怎么努力，哪怕我们的星际飞行速度能无限接近光速，你的这个朴素的愿望还是无法实现，你的亲人也不可能在有生之年得到你的消息。理由很简单，假设 50 光年外的那颗星球叫作「奥丁」（《银河英雄传说》中银河帝国的首都星），你首先至少要用 50 年的时间飞到奥丁，到达以后你往回发一个电报，这个电报也需要 50 年的时间到达地球，你在地球上的亲人从你出发那天起最少最少也要等 100 年才能等到你这个报平安的电报。

这确实是一堂令人沮丧的算术课。看来，要想星际移民，你出发的那天就是和你所有亲人永别的一天；对你的亲人来说，你不但是一去不复返，而且这一去就是杳无音信，他们等待一生也得不到你平安抵达的消息。

但是，如果我们的飞船速度能在很短的时间内加速到无限接近光速（虽然这在今天在技术上还是无法想象的，甚至连理论上的可能都没有），对于星际旅行者的你来说，情况却要乐观得多，50 光年的距离对你来说就像是在地球上做了一次长途旅行而已。根据时空中运动速度恒定的原理，你在空间中的运动速度会分走你在时间中运动的速度，换句话说，你飞得越快，你的时间流逝得越慢。假设你以 0.9999c 的速度飞向 50 光年外的奥丁星的话，你自己感觉仅仅用 81 天就抵达了，而你在地球上的亲人则已经老了 50 岁，我们用下面的时空运动图来表现这个概念：

地球上的人和星际飞船上的你在时空中运动

在这张图中，大家都以奥丁星为参照物，地球上的人在时间中运动得很快（接近光速），但是在空间中运动得很慢；而星际飞船上的你则恰恰相反，你在时间中运动得很慢，但是在空间中运动得飞快（接近光速）。所以，以你自己的感觉，你没有用多少时间就从地球飞过来了，但与此同时，地球上的时间却在飞速流逝。

沿着上面这个思路，我们可以得出一个推论：如果地球和奥丁的时空距离是 50 光年的话，那么就意味着它们的时间距离至少为 50 年，也就是说，这两颗星球的人想要发生任何相互接触，不管是通讯还是旅行，总之，这个 50 年是不可逾越的。我们现在假设你供职于地球上的一家公司，公司派你去奥丁的分公司出差，你坐上星际飞船到达奥丁，办了几天公事再回到地球的时候，尽管你自己觉得只用了几个月甚至更短的时间，但是地球已经过去了一百多年，你的老板早就过世了，你供职的这家公司是否还存在也很难说了。因此，在星际殖民时代，恐怕不会发生派人去别的星球出差办点事再回来这种事情，虽然这样的情节在星际殖民题材的科幻小说中比比皆是（比如电影《阿凡达》）。

那么我们再来看看在星际殖民时代的约会又会有哪些特点呢？你和你的朋友都在地球上，有一天你们心血来潮相约要到奥丁去见面，比如说你们约定在一年后的今天见面，然后分手各自准备行程去了。我提醒你们注意，你们千万不要以自己的手表为准，哪怕你们分手的时候对表对得再精确也没用。你们必须非常精确地算准你们的时空坐标，特别要注意时空运动速度恒定这条铁律，各自小心翼翼地算好自己的空间运动速度会如何影响时间运动速度，否则将要发生的可就完全不是一个人早到一会儿等着另外一个人飞过来，而是很可能发生这种情形：先到的一个人苦苦等待一生之后，老得牙齿都快掉光了才终于见到了活蹦乱跳的另外一个人。

在星际旅行时代，两个人的年龄再也无法处于一种稳定的状态了。拿《银河英雄传说》里面的故事来说，情节会变成这样：米达麦亚和罗严塔尔奉命去星际空间打击海盗，这两人指挥着各自的战舰出发了。由于战事激烈，他们在广袤的太空中作战，经常要变换自己飞船的速度，而且偶尔能刚好在太空中会合一下，互相见见面。于是在这些日子里，他们会对每次见面相隔的时间产生完全截然不同的意见，米达麦亚觉得隔了好几个月才遇上罗严塔尔，而罗严塔尔却说我们昨天才刚刚见过面呀。下一次见面的时候，米达麦亚觉得也就过了不到一个礼拜，但是罗严塔尔却坚持声称至少已过去了三个月。这哥俩每见一次面就争吵一次。他们都得特别小心地控制自己飞船速度，万一速度太快了，等他们回到奥丁的时候，他们的司令官莱因哈特就已经过世很多年了。

因此，在星际殖民时代，必须建立宇宙历、宇宙标准时和统一的时空坐标参照系。好在咱们的银河系有一个好处，那就是所有的恒星基本处在相对静止的状态。我们地球和奥丁星之间的相对运动速度应该是很小的，并且我们不妨假设人在奥丁星和在地球上所受到的引力大小基本相当。这个应当好理解，人类不会习惯在一个能使自己体重突然增加好几倍或者轻好几倍的地方长期生活，总还是要在一个能基本适应的范围内，而这个引力大小对于时空弯曲程度来说是可以忽略不计的。

所以，如果真到了那个在奥丁星殖民的时代，地奥联邦政府可能会同意我的建议，把地球和奥丁星看成是一个大的参考系，这个参考系跨越了 50 光年的时空，在这个 50 光年的范围内建立时空坐标。以新的宇宙历法规则通过的那天零时为银河纪年元年，仍以一个地球日和一个地球年作为标准宇宙历法的标准日和标准年，在银河纪元元年的零时零分启动一只精心调快过的原子钟，然后把这只原子钟放上星际飞船，以接近光速的速度带到奥丁星，到达以后再把原子钟的频率调成跟在地球上一样。于是我们会看到，在奥丁星上的宇宙历生效的那个时刻，原子钟显示的可能已经是：银河纪年 50 年 2 月 21 日 9 时 13 分 10 秒。因此，奥丁星上的宇宙标准历和标准时的时间是直接从 50 年后开始的，而不是像地球一样从元年开始，当然，奥丁星上的人必然还要根据自己星球的自转和公转日期（奥丁星不一定有卫星，所以可能没有月份的概念）制定自己的地方时，以便生活。

所以，奥丁星上的手表一般都必须显示两个时间，一个是标准宇宙历的时间，一个是奥丁历的时间。这些手表还得有一个特殊功能，那就是登上星际飞船后，可以根据星际飞船的飞行速度调节手表的频率，飞得越快，表的频率就得跟着调得越高。

假想一下你在星际飞船上看着时间飞快地跳动，一年一年就在你眼前像走马灯一样流逝，你会产生一种什么样的感觉呢？最要命的是，这些走马灯般流逝的时间并不是幻觉，而是实实在在地发生在地球和奥丁星上的时间流逝。地奥联邦政府还有一条不得不颁布的法令，那就是所有的星际飞船上的时间频率调快的行为都必须全部详细记录在案，调快频率后流逝的时间不能算作年龄的增长。如果不颁布这条法令，那么这个世界的伦理就要彻底混乱了，人们再也搞不清楚谁比谁年龄大了。

以上这些就是最粗略的星际殖民时代的时间观念。对于那些要登上星际飞船的人来说，他们必须要做好十足的心理准备，因为登上飞船的那个时刻就是他们真正告别过去、奔向未来的时刻。星际飞船是一艘真正的时间机器，只不过这部时间机器只能把人带向未来而无法返回过去。一旦登上了星际飞船，那么过去的一切就将过去，对于过去的一切亲朋好友来说，你死了，而对你自己来说，亲朋好友们死了，因为你们此生再也不可能相见了。当亲朋好友们向你挥手道别，看着你登上星际飞船的景象，那就跟看着你走入棺材是一模一样的心情。各位亲爱的读者，我很想知道，此时此刻的你对于星际殖民时代是感到兴奋呢，还是沮丧呢？过去曾经看到过的很多此类题材的科幻小说和科幻电影，是不是都有一点点变味了呢？