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物体的速度可能超光速吗?(上)

2020-03-07 11:28:30 作者:

物体的速度能超过光速吗?(1)

陈思进

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/陈思进

之前连续写了五篇文章,漫谈暗物质、暗能量和反物质——虽然人类还看不到或触摸不到它们,但它们占了整个宇宙的95%以上,甚至是主宰宇宙命运的“事物”。这篇文章发表后,得到了许多读者的热烈反馈。一位读者在文章《关于暗能量和反物质的随机对话(第一部分)》中问道:“那些可观察到的星系正以光速(甚至更快)远离我们。”不是说宇宙中最快的速度是光速,星系怎么能比光速更快地离开我们呢?

这真是一个好问题!

事实上,这里提到的速度指的是宇宙的膨胀速度,它的倒退速度比光速快并不违反相对论,因为这只是空间本身的运动,并没有能量或信息的传递

在这里跟随这个话题,谈论科幻迷们可能最关心的问题之一:如何比光速更快地旅行,也就是说,物体的速度是否能超过光速?

光速到底是多少?

光速是指真空中的光速。它是一个物理常数,缩写为“C”,精确值为299,792,458米/秒,通常为300,000公里/秒

是众所周知的,在相对论中,爱因斯坦提出“光速是宇宙中的速度极限”尽管这个猜想在理论和实践上还有待进一步探索,但分析当前的知识是正确的。更严格的解释应该是:光速是宇宙中所有物质运动和信息传播速度的上限,也是所有无质量粒子和相应的场波动在真空中运动的速度。

根据质量和能量守恒,粒子的质量转化为能量。爱因斯坦提出的最著名的质量-能量转换(或等效)公式是E = mc2(E = mc^2,e代表能量,m代表质量,c代表光速)当物体达到光速的25%时,物体的质量会随着速度的增加而增加。当一个物体的速度接近光速时,它的质量将趋于无穷大。

根据这个公式,质量物体不可能达到光速,而光子没有引力质量,即质量为“0”,即光子的整个质量已经完全转化为能量,所以光子的能量达到了极限,然后光子的速度达到了极限,这就是光速极限的原因。电磁波在真空中的速度与光速相同。

然而,如果光速极限理论是正确的,那么人类将永远无法建造一艘能达到光速的宇宙飞船,而超光速旅行就更不可能了。这使得科幻作品中的时间机器和通过时间机器改变历史的“桥梁”无法实现。科幻迷能满足吗?!例如,

离我们太阳最近的恒星叫做半人马座比邻星。它位于半人马座,离太阳近40万亿公里。它离我们大约4.22光年。即使你乘坐的宇宙飞船的速度是光速的99%(建造这样的宇宙飞船几乎是不可能的),往返地球也需要八年半的时间。可以想象,宇宙是如此之大,即使它离地球很近,也离地球很远。

例如,如果附近的星系有外星文明,传说中的灰狗来自泽塔的两个星座,距离地球39光年;另一个例子是地球古代文明中提到的猎户座外星文明,它往返地球需要3000光年。也就是说,如果太空旅行仅仅是为了寻找一个外星文明,那么对于所有不存在于永生状态的生物来说,生存、死亡和死亡都是没有意义的。

现在,让我们来整理一下真正的太空旅行1969年,当阿波罗10号返回地球时,它加速到每秒11公里,这是载人飞船有史以来的最高速度,使它的三名宇航员成为历史上最快的。然而,以这样的速度,要花156万年才能游览小灰人的家乡!

2018年,为研究太阳风而发射的帕克太阳能探测器达到了每秒95公里的最高速度,这是人类建造的最快的飞行器。然而,即使这个速度也只是光速的0.03% (3/10000)。

的问题是,如果它是一架使用火箭燃料的飞机,你想飞得越快,需要添加的燃料就越多。假设一艘10吨重的宇宙飞船,随着速度的增加,根据质能转换公式,要把宇宙飞船加速到光速,所需的能量将是无限的!即使整个宇宙的所有能量都被用来将宇宙飞船加速到光速,这也是一项不可能的任务!

我该怎么办?

由于普通火箭使用化学燃料有推进极限,科学家们首先想到的是找到更有效的燃料来提高宇宙飞船的速度。

在许多科幻电影中,一些凉爽的太空船尾引擎发出深蓝色的光,使用离子推进器。

离子推进器(离子推进器,也称为离子引擎)的原理是先电离气体,然后利用电场力加速带电离子并将其喷出,并以其反作用力推动火箭。这是目前实际应用的最经济的火箭技术,因为只要调整电场强度,推力就可以调整。由于比冲比其他现有的推进技术大得多,只需要少量的推进剂就能达到非常高的最终速度,而不会携带太多的燃料。

,然而,离子推进器的缺点是它不能像化学燃料一样在瞬间爆发出巨大的推力,即使在太空中,它也需要很长时间才能加速。即使离子推进器应该处于真空环境中,也需要数月甚至数年的持续推进,离子推进器才能获得比化学燃料推进快得多的速度。因此,它使离子推进器特别适用于天空航天器的远程导航。

几年前,欧洲航天局(ESA)的科学家测试了一种新型的“吸气剂电推进器”——利用电场和磁场电离气体(通常是氙),然后喷射这些粒子产生推力它可以在稀薄的空气中运行,并有望使卫星在空中运行更长时间,减少阻力。装满了占飞船质量90%的燃料,飞船最终达到了每秒700公里的速度,相当于光速的0.2%。与以前相比,虽然它更接近光速,但仍远非光速。

这表明,一定有一种理论和技术可以绕过光速的限制,达到超长距离旅行的目的。有没有这样的方法可以绕过光速限制规则,从而达到超光速的目标?还有别的办法吗?

让我们以后再谈。

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