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宇宙是真空,飞船为何不能无限加速,甚至20%光速都无法达到?
经过对宇宙近百年的观察研究,一组组数据、一张张照片、一次次尝试,无不向人类展示了宇宙的浩淼无边以及波澜壮阔。
然而,这广阔寂寥的宇宙背后,其实隐藏着一个对于人类来说极为致命的属性——距离。宇宙庞大的距离尺度像一个笼子一样,将人类死死地困在有限的空间中。
而这种情况对整个人类文明来说是一种灾难,因为一旦地球甚至整个太阳系的资源被人类使用殆尽,那么人类最后将只有“毁灭”或者“文明退化”这两条路可以走。
科学家们显然也看到了这个让人害怕的问题,所以早在19世纪起就一直在研究光速的问题,毕竟光的速度非常快,人类如果想要冲出牢笼它将会是非常关键的因素。
让人遗憾的是,经过长时间的研究爱因斯坦提出了相对论,明确指出了物体达到光速的不可能性和不可行性。
不过,虽然爱因斯坦在相对论中阐述了物体无法达到光速的原因,但是仍然有许多人心中有一个疑惑:宇宙是真空的,那么为什么飞船在这个没有空气摩擦力的环境中不能无限加速呢?为什么连20%的光速都无法达到呢?
在回答这个问题之前可以先来看下,如果人类的飞行器速度达到了光速的20%意味着什么。我们都知道,火星距离地球约0.55~4亿千米,一旦人类飞行器达到了20%光速,那么就意味着人类从地球到火星只需要不到半个小时的时间。
而目前人类所制造出来的速度最快的飞行器是太阳探测器“帕克”,它的平均速度一般在68.6km/s,而最快速度能够达到192km/s。所以飞行器达到20%光速就意味着它将是“帕克”速度的300多倍。
同时,一旦飞船速度达到20%的光速,就意味着它已经远超“常规推进方式宇宙飞船速度”的上限,因为按照科学家的计算,常规推进式飞船的速度上限是1.5%光速,也就是4500km/s。
更主要的是,若飞船的速度达到20%光速,就意味着它的速度将会是采用核聚变作为动力源飞船速度的2倍还要多。而在可预见的未来,核聚变将会是人类能够使用的最强动力源。
看到这里可能有的朋友会问:如果未来发现了比核聚变更颠覆的动力方式,例如暗能量、正反物质湮灭等等,那么采用了这些动力方式的飞行器能否达到20%光速呢?答案其实还是不能。
现代火箭在设计上一般都是极大可能地减少质量,以便携带更多的飞行燃料。比如说SpaceX猎鹰9火箭之所以价格低廉,就是因为它的燃料占发射质量比达到了惊人的96.6%。
但是,因为能源等级的限制,即便火箭设计上采用多级接力加速的方式,想要达到20%光速所需要的飞船质量也是指数级增长的。
简单的说,想要火箭携带更多的燃料就需要更轻的箭体,而想要火箭速度更快则需要更重的箭体。就目前来看,这是一个无解的死循环。
最后再来看看对飞行器最大的空间限制条件:真空。事实上,宇宙可能出乎许多人的意料,因为它并不是绝对意义上的真空,或者说它根本就不是真空。
在这个“真空”中有肉眼无法直接观察的真空涨落、正反粒子湮灭,甚至还有许多背景辐射,可以说“真空”里不仅不是想象中的空旷寂寥,反而是“热闹非凡”的。
正因为真空中并不空,反而充斥着许多肉眼无法看到的物质,所以当飞船以20%光速高速运动的时候,会和这其中的各种物质发生剧烈的摩擦与碰撞。
而在这种速度下,一个只有在显微镜下才能看到的氢原子,都会对飞船造成难以想象的破坏。就像高速飞行的飞机撞到飞鸟一样。
假如说飞船的速度达到了光速,那么不说飞船材料和飞船内的人类能不能受得了,根据科学家的推算,当达到光速之后飞船包括飞船内的所有物体将会失去质量,变成时间为零、质量为零的光子状态。更让人害怕的是,光子化是不可逆的。
肯定有朋友会问:既然光速飞行如此可怕,那电影中的超光速飞行是怎么回事呢?其实电影中出现的超光速飞行大都也并不是飞船直接超越光速,而是飞船中有扭曲空间的装置,通过压缩飞船前面的空间、膨胀后面的空间达到超光速效果,科学家将这种方式称为“曲速泡”。
在这种情况下,飞船确实得到了超光速的效果,但是这并非飞船自身硬生生的达到了光速,而是通过改变空间结构,让空间膨胀收缩以缩短飞行距离。简单来说就是空间本身超光速运动了,而飞船本身并没有超光速运动。
值得一提的是,空间自身超光速并未违背相对论,因为空间自身在任何形态下都没有质量,并不在相对论的约束和讨论范围内。
所以总的来说,就目前的科学认知中,飞船在真空中并不能无限加速,不仅如此它甚至连20%光速都无法达到,真空中光速仍然是宇宙规则下物体最大的运行速度。
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