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亚光速飞船在飞行时,如果碰到一粒沙子会怎么样?

宇宙中遥远的距离,可以说是人类进入星辰大海的最大阻碍,而想要克服这一阻碍,最直接的方法就是用极快的速度在宇宙中飞行。由于一个具有静止质量的物体不可能被加速到光速,因此人类在未来最多也只能制造出亚光速飞船(一般来讲,我们将大于90%光速但小于光速的速度称为亚光速)。

其实亚光速飞船也不错,假如人类能够制造出以90%光速飞行的宇宙飞船,那么人类只需要1年多一点的时间就可以飞出奥特星云,用4年多的时间就可以抵达比邻星,可以看到,这种速度已经可以让人类在宇宙中进行恒星际的航行了。

然而在宇宙中进行亚光速飞行比想象中的更难,除了“如何加速”这个巨大的难题之外,还必须要解决星际物质与宇宙飞船的碰撞问题。为了说明这个问题,我们不妨来讨论一下,亚光速飞船在飞行时,如果碰到一粒沙子会怎么样?

我们都知道速度是相对的,如果以亚光速飞船作为参照物的话,就可以看成这一粒沙子以亚光速撞击了飞船。

由于速度已经很接近光速,因此我们需要将这个问题放入相对论的体系中来进行讨论,下图为相对论中计算动能的公式(其中m0、v和c分别为物体的质量、速度以及光速常量)。

假设飞船的速度为亚光速度的最低值(即90%光速),根据上述公式就可以计算出,相对于一艘以90%光速飞行的飞船,仅仅是一粒质量为1毫克的沙子,就具有大约1163亿焦耳的动能(大约相当于28吨TNT当量)。

进一步计算还可以得出,当飞船速度达到99%光速时,沙子相对于飞船的动能就会增加到5472亿焦耳(大约相当于131吨TNT当量),达到99.99%光速时,动能更是可以高达大约6.3万亿焦耳(大约相当于1500吨TNT当量)。

可以看到,随着飞船的速度不断地向光速接近,沙子相对于飞船的动能会指数级地上升,更重要的是,如此巨大的能量将会在一粒沙子那么大的范围内集中释放,由此造成的破坏力可想而知。

事实上,在我们已知的范围内,没有任何一种宏观材料能够承受住这种破坏力,所以我们可以认为,如果一艘亚光速飞船在飞行时碰到一粒沙子,那么这艘飞船就会遭到重创,而如果飞船的速度足够接近光速,那么飞船甚至会被直接摧毁。

要知道宇宙空间并不是严格意义上的“真空”,在长时间的星际航行中,宇宙飞船将不可避免地与一些星际物质发生碰撞,其中很可能就有质量与沙子差不多大,甚至比沙子还大的尘埃。

因此可以说,在没有解决星际物质与宇宙飞船的碰撞问题之前,即使人类拥有了将宇宙飞船加速到亚光速的科技,也不可能让宇宙飞船以亚光速在宇宙中飞行。

那人类应该如何解决这一难题呢?实际上,以人类现有的以及可展望的科技来看,这个问题都是无解的,不过既然都说到这里了,我们不妨来大胆地猜测一下。

或许在熟练地掌握了对带电粒子的磁约束技术之后,未来的人类可以利用强大的磁场将大量的带电粒子束缚在亚光速飞船的周围,并驱动它们以非常接近光速的速度围绕着飞船运行。

正如我们前文所提到的,当一个物体的速度不断地向光速接近时,其自身的动能就会指数级地上升,因此人类对这些围绕飞船运行的带电粒子进行加速,其实就是将向它们注入能量,如此一来,就相当于给飞船配备了一个强大的“能量护盾”。

这些带电粒子层层叠叠地将飞船保护起来,如果有星际物质“来袭”,首先就会与它们发生撞击,撞击的结果就是,“来袭”的星际物质会瞬间被撞成“碎片”,这些“碎片”会被密集的带电粒子阻挡在外,不会对飞船造成伤害。

接下来,撞击释放出的巨大能量中一部分会消散在宇宙空间,另一部分则会被带电粒子吸收,转化为它们的动能,在强大磁场的约束下,即使带电粒子的动能增加了,依然会“乖乖”地围绕着飞船运行,在必要的时候,人类还可以通过磁场对其进行减速处理。


好了,今天我们就先讲到这里,欢迎大家关注我们,我们下次再见。

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