宇宙明明是真空,飞船为何不能无限加速,甚至20%光速都不行?

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  • 来源:罗源新闻

    从伽利略发明天文望远镜开始,人类对宇宙的研究和观察就进入了新的时代。那一张张壮丽的照片、一组组夸张的数据,都在向人类展示着宇宙的神秘莫测。




    而这神秘莫测后面,其实还隐藏着一个让人类无法忽视的东西——距离。在当前科技水平之下,宇宙中夸张到让人恐惧的距离尺度,仿佛一道无法摧毁的锁链,将人类牢牢的锁在一定的范围内动弹不得,这对于一个文明来说是极为致命的。


    因为有限的活动范围就意味着有限的资源,这些资源一旦彻底耗尽,复活节岛上土著的今天,或许就是整个人类文明的未来。




    显然,科学家们也看到了这一点,所以打破“牢笼”和“锁链”的关键——超光速,自然也就成为了物理学早期的热门课题。但随着相对论的提出,证明三维世界中光速最快之后,超光速的热度才渐渐褪去。


    可这个残忍的结论并非得到所有人的理解,仍然有一个疑问在许多人的心中生根发芽:宇宙明明是真空的,飞船为什么不能在其中无限制的加速,最终达到光速呢?即便无法达到光速,为什么连20%的光速都无法达到?




    在回答这个问题之前,我们先将目光放到后一个问题上:如果人类飞行器的速度达到了光速的20%意味着什么。


    我们都知道,火星是仅次于金星距离地球最近的行星,它到地球的距离大约在0.55~4亿公里之间。一旦人类制造出了20%光速的飞船,从地球到火星大约只需要半小时不到的时间。




    不到半小时是什么概念?要知道好奇号火星车是2011年11月26日23时2分发射的,而它着陆火星是2012年8月6日13时30分,中间历时8个多月的时间。


    目前,人类制造出来的最快飞行器是“太阳探测器”,其平均速度达到了惊人的68.6km/s,而在某些情况下,它的速度甚至能够达到夸张的192km/s。




    不过,就算帕克一直保持着192km/s的速度,它和20%光速比起来还是有着难以想象的差距,因为20%光速是其300多倍。


    另一方面,目前采用常规推进动力的飞船,理论速度只有1.5%光速,一旦超出这个速度,巨大的力量能够瞬间将飞船撕裂。




    更主要的是,如果飞船达到了20%光速,就意味着比采用核聚变推动的飞行器要快出接近一倍(核聚变飞船目前理论值为12%光速)。


    而在可预见和可实现的未来,比核聚变更为强大的动力,人类根本就没有办法完完全全掌握,这也就意味着20%光速的飞船只能存在于想象之中,人类根本将它无法制造出来。






    可能有些朋友会想,在可预见的未来之外,如果人类掌握了比核聚变动力更强劲的动力,比如暗能量和暗物质,是不是就意味着能够到达20%光速了呢?就目前来看其实还是不行。


    因为为了携带更多的燃料、保持更大的续航,科学家们在设计火箭时都会尽可能地减少箭体本身的质量,但受限于能源等级,就算最大程度减少了箭体的质量,所需要的燃料数量和总质量也是难以预估的。




    如果说得通俗一些,携带更多燃料就意味着更轻的箭体,而更快的速度则需要更重的箭体,这其实是当下技术无法解决的死循环。


    事实上,除了能源等级和飞船材料之外,宇宙的环境也是限制飞船高速飞行的关键。提到宇宙可能许多会想到真空,但宇宙的真空可一点也不“空”。




    在宇宙的真空中,几乎每时每刻都有着肉眼不可见的变化,例如正反粒子湮灭、真空涨落等等,同时还有各种大大小小的粒子飘荡其中。


    就是由于宇宙真空一点不空,所以当飞船在其中飞行的时候,一定会跟其中的物质产生碰撞或摩擦。低速的时候这种碰撞和摩擦可能没有什么,可一旦来到了20%光速这种超高速,一粒平时落到身上都没有感觉甚至肉眼都无法直接看到的粉尘,都可能会让飞船瞬间解体。




    若我们抛去宇宙中各种阻碍飞船飞行的物质和力,飞船真的在其中达到了光速,那么或许将会发生一件极为恐怖的事情——光子化。


    根据部分科学家的研究,三维世界中所有有静止质量的物质都不可能达到光速,而一旦真的达到了光速,那么就会变成没有质量的光子,这个转化过程是无法逆转的。




    问题来了,光速飞行这么可怕,科幻电影中的光速和超光速飞行是怎么做到的呢?难度仅仅是存在于科幻电影中的想象?


    其实并不是这样,因为科幻作品中出现的超光速飞行,和文中表述的超光速飞行有着本质上的区别。




    电影中超光速大多使用了“曲率飞行”或“曲速泡”。爱因斯坦在相对论中提出,宇宙空间并不是想象中的平坦,而是存在着曲率。


    如果将宇宙想象成一张巨大的膜,那么膜其实是弧形的,甚至膜可能就是一个类似肥皂泡的封闭空间。这就导致可能局部看起来是平直的,但其实曲率无处不在。




    所以有科学家提出,在宇宙中飞行的飞船,如果能够将其身后空间的曲率“熨平”,前方曲率大的空间就会自然地将飞船拖拽过去,从而实现超光速运动。


    这种方法和相对论并不冲突,因为它改变的是飞船所处的空间,不是让飞船本身直接超越光速,而空间本身并不在相对论的限制范围内。


    总的来说,即便人类掌握了更高级的动力方式,也无法让飞船宇宙中无限加速,而这也正是让人感到担忧和害怕之处,因为这意味着人类只能在一定的范围内活动,消亡将会是人类最终的结局。