大家好,我是老刘。
曲率引擎、折跃力场、反物质发动机,这些在科幻电影中超光速旅行的常用手段,然而,科幻毕竟是科幻。
现在,我们都知道,一切物质与能量传输的速率都不能超过光速,注意我的用词,是一切“物质”与“能量”的传输速率,实际上,宇宙中超光速的现象比比皆是,甚至,我们自己在家里就能模拟出超光速的现象。
在揭晓这些超光速现象之前,我们来讲讲,为什么光速是一切“物质”与“能量”的传输速率的上限。
因果律
首先,根据狭义相对论,运动中的物体,时间会变慢,也就是所谓的时间膨胀。
现在,我们假想有一艘飞船,它以接近光速飞行,地球上经过一天,飞船上只过了半天。今天是星期一,你乘坐飞船离开地球,你的朋友留在地球上。
现在以你朋友的视角:
地球上
从星期一到星期六
星期六这天,你朋友知道了彩票中奖的号码
他立刻把这串号码发给你。
我们现在假设信息以超过光速,瞬间抵达飞船上。
现在我们以你的视角:
飞船上
从星期一到星期三
星期三这天,你收到了你朋友给你发的彩票号码,并要求再发回给他,信息依然是瞬间完成传输。
我们需要明白,运动是相互的,如果把飞船当作静止的,那么,地球的运动速率就是上文飞船的运动速率,接近光速,此时,地球也会发生时间膨胀,时间缩短为飞船时间的一半。
也就是说,在飞船上的你看来:
你是星期三收到的消息
实际上,地球上才到星期二中午
此时你把信息以超光速发回去,瞬间抵达地球。
那么,你的朋友就会在地球时间的星期二中午,收到他原本在星期六发送的彩票中奖信息。
于是,这样就打破了因果律,同样的道理,你也可以用在向心仪的女生表白和考试上。
好,无论是是否理解了上面我说的这个例子,你只需要明白,因果律规定,一切物质和能量的传输速率都不能超过光速,这就行了。
那么,如果不涉及能量与质量的传输,是不是就可以超光速呢?
是的。
当我们在晴朗的夜晚,抬着头,转圈的时候,我们眼中的星空的运动速度就已经超过光速了、与此相同的,还有你拿激光笔划过天空、用手电筒打出的影子等等,但因其中都不涉及物质与能量,所以不违背相对论。
你或许会听说过,宇宙的年龄是亿年,可观测的宇宙是亿光年,这其中的超光速现象是空间膨胀造成的。
早在宇宙大爆炸之初的10^-36——10^-32秒这短时间内,宇宙经历了暴涨,其暴涨的速率是远远超过光速的,再加上暗能量对于宇宙膨胀的加速作用,最终形成了可观测宇宙亿光年的状态。
量子纠缠
还有一种大家耳熟能详的超光速现象就是量子纠缠了,确实,两个处于纠缠态的量子,无论距离有多远,哪怕在宇宙的两端,只要一个遭到了观测,另外一个就会感知到。这其中,依旧不涉及信息和能量的传递,而传递的只是一种状态,而这种状态的传递,相对论是管不了的。
图解:照射激光偏硼酸钡晶体,会因第二型自发参量下转换机制,在两个圆锥面交集的两条直线之处,制备出很多偏振相互垂直的纠缠光子对。
真实的星际旅行
好了,说了这么多,大家应该明白了,光速极限是宇宙中的法则,在我们现有的科技水平下,任何人,任何事,都必须遵守。科幻毕竟是只是科幻,那么,真正的星际旅行是怎么样的?
我们按照距离来看。
从地球到近地轨道
这个距离,中国、美国、韩国、俄罗斯、欧盟、印度等都能发射自己的卫星到达这一高度,在这一尺度上,传统的化学燃料火箭就可以完成,而有能力将人类送入太空的国家,第一个是前苏联,第二个是美国,第三是中国,除此之外,再无国家有此能力。
从地球到月球
阿波罗计划大家一定都听过,而当时的运载火箭——土星五号火箭,是人类有史以来,设计建造并发射的最大的火箭,没有之一,它相当于把一艘吨的护卫舰打到太空中。而人类的载人计划,最远也就走到了月球,为什么?因为传统化学燃料的瓶颈制约着星际旅行。
最后一枚土星五号,AS-,于发射阿波土星5号高.6米,直径10.1米,重3,吨,其中,燃料吨,有效载荷吨。
用吨燃料,为的只是把44吨的阿波罗飞船发送到近地轨道;而44吨的阿波罗飞船,也只是把宇航员发送到月球轨道,其中指令舱29吨,登月舱15吨;而15吨的登月舱,也只是让两名宇航员,也就是总质量不超过公斤的物体,在月球上待最多两天;换句话说,为了运送公斤的“货物”在月球跑一个来回,我们需要吨的“车”,而这辆“车”的造价,平均一辆需要4.5亿美元,这还是当时的价格,换算成现在,至少是45亿美元,而且是一次性的。
新的领域
这说到底,就是化石能源的局限性,要突破这项瓶颈,我们就需要新的,更强劲,更高效的能源,也就是可控核聚变。
装备了聚变引擎的火箭,可以通过核聚变产生电能将空气电离,再用过电场力将带电的离子加速后喷出,以其反作用力推动火箭,这种引擎能使火箭的运载量实现质的突破,这使得人类可以实现太阳系内的星际旅行。
但要是我们想前往更遥远的星球,比如距离我们4.3光年的比邻星,即使我们以光速的十分之一飞行,也需要43年,这个时候,任何一个离开太阳系的飞船上,躺着的就都是一具具冰冷的冬眠舱,谁知道我们醒来的时候,会在哪里?
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