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物体的速度可能超光速吗?(上)

2020-03-06 08:32阅读:
文/陈思进
之前一连写了五篇文章,漫谈了暗物质、暗能量与反物质——虽然人类还看不见摸不着,却占了超过95%的整个宇宙,甚至是主宰宇宙命运的“东西”。文章刊发之后,收到了不少读者的热烈反馈。其中有个读者询问,在《漫谈暗能量与反物质(上)》的文章中提及:“那些可观测的星系,正以光速一般(甚至更快)地速度远离我们……”不是说宇宙中最快的速度是光速,那星系远离我们的速度怎么可能超光速呢?
这真是一个好问题!
其实这里提及的速度,是指宇宙的膨胀速度,其退行的速度超光速并不违反相对论,因为这只是空间本身的运动,并没有能量或信息的传递。
在此正好顺着这个话题,聊一下可能是科幻迷最关心的问题之一:How to travel faster than light,即物体的速度有没有可能超光速?
那究竟什么是光速呢?
光速是指光在真空中的速率,是一个物理常数,简写“c”,精确值为299,792,458米/秒,平时常用30万公里/秒。
众所周知,在相对论中,爱因斯坦提出了“光速是宇宙中的速度极限”的猜想。这一猜想虽然在理论和实践上还有待进一步探讨,不过就目前所掌握的知识来分析,这一猜想是正确的。更为严谨地解释应该是:光速是宇宙中所有的物质运动、信息传播的速度上限,也是所有无质量粒子及对应的场波动在真空中运行的速度。
根据质量和能量的守恒,粒子的质量转变为能量,以爱因斯坦提出的最著名的质能转化(或等价)公式:E = mc2(E = mc^2,E代表Energy(能量),m代表Mass(质量),c就是光速)。当物体达到25%光速时,物体的质量将随着速度的增加而增大;当物体的速度接近光速时,它的质量将趋于无穷大。
根据这一公式,有质量的物体到达光速是不可能的,而光子没有引力质量,也就是质量为“0”,即光子的整个质量已彻底变为能量,所以光子的能量达到了极限,那么光子的速度也达到了极限,这就是光速极限的道理。而电磁波在真空中的速度,与光速也是相同的。
不过,如果光速极限的理论是正确的话,那么人类将永远无法建造一艘达到光速的飞船,超光速旅行则更是不可能的。这使得科幻作品之中的时间机器、以及通过时间机器改变历史的“桥段”都无法实现了,科幻迷们能甘心吗?!
举例来说。距离我们太阳最近的一颗恒星称为比邻星,位于半人马座,距离太阳近40万亿公里,约4.22 光年,即使乘坐一艘高达99%光速的飞船(几乎不可能建造这样的飞船),往返地球也需要8年半,可想而知,宇宙之大,虽说是比邻也远在天涯。
如果在临近的星系中存在外星文明,如传说中的小灰人来自于Zeta双星座,距离地球39光年;再比如地球的上古文明中提到的猎户座外星文明,往返地球则需要3000光年。也就是说,这对于所有不以永生状态存在、生老病死的生物体来说,太空旅行如果只是为了寻找外星文明,似乎都是没有意义的。
现在,让我们来梳理一下现实中的太空旅行吧。
1969年,阿波罗10号月球飞船返回地球时,加速到了每秒11公里,这是有史以来载人飞船的最高速度,使得其中三名宇航员成了史上最快的人。不过,依照这个速度去拜访小灰人的家乡,需要156万年!
2018年,为了研究太阳风而发射的帕克太阳探测器,最高速度达到了每秒95公里,这是人类迄今为止,建造的速度最快的飞行器。但是,即使这个速度也只到了光速的0.03%(万分之三)。
问题是,如果是使用火箭燃料的飞行器,想要飞得越快就要添加更多的燃料。假设一艘重10吨的飞船,随着不断增加的速度,根据质能转化公式,若要将飞船加速到光速,需要的能量将是无穷大!即使把整个宇宙的全部能量用来给这艘飞船加速,使其达到光速,也是不可能完成的任务!
那怎么办呢?
既然普通火箭使用化学燃料存在推进上限,科学家首先想到的是寻找更有效率的燃料来提高飞船速度,
在很多科幻电影中,一些炫酷的太空船尾发动机喷出的一团幽蓝色的光,是使用了离子推进器。
物体的速度可能超光速吗?(上)
离子推进器(Ion Thruster,又称离子发动机)的原理,是先将气体电离,然后用电场力将带电的离子加速后喷出,以其反作用力来推动火箭。这是目前已实际应用的火箭技术中,最为经济的一种,因为只要调整电场强度就可以调整推力,由于比冲(Specific impulse)远大于现有的其它推进技术,因此只需要少量的推进剂,就可以达到很高的最终速度,而不需要携带太多燃料。
不过,离子推进器的缺点是,它不能像化学燃料那样,在瞬间爆发出巨大的推力,即使在太空中也需要很长的时间进行加速。离子推进器即使应在真空的环境中,也需要经过几个月、甚至几年的时间的持续推进后,才会获得比化学燃料推进快很多的速度,因此,这使得离子推进器特别适合远距离航行中的天空飞船。
前几年,欧洲宇航局(ESA)的科学家试验了一种新型的“吸气式电推进器”——利用电场和磁场来电离气体(通常为氙气),然后将这些粒子喷射出来,以产生推力。它能够在稀薄的空气中运行,有望让卫星在天空中运行更长久、以及减少阻力。装填了占飞船质量90%的燃料,最终使飞船达到每秒700公里的速度,相当于光速的0.2%,与之前相比,虽进一步接近了光速,但离开光速还是差得很远很远。
物体的速度可能超光速吗?(上)
这说明了,一定得有一种理论及技术,可以绕开光速极限,以达到超远距离旅行的目的。目前是否有这样一种手段,来绕开这一光速极限的规则,以达到超光速的目的呢?是否还有其他方法呢?
下文再接着详谈吧。

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