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每秒30万公里!不需要加速的光子,飞行的动力从哪来?

2020-09-24

在大爆炸瞬间诞生的一系列宇宙规律中,真空光速是最“直观”的

299792458 m/s的真空光速,为了便于记忆一般被普及成“每秒三十万公里”,这个速度既是信息传递速度的上限,也是“静止质量不为零”的物体,永远无法达到的速度。

不考虑引力波的话,目前为止只有光子能以光速运动,不需要加速过程,也不需要任何动力的光速运动。

而其他包括中微子在内的基本粒子们都只能以亚光速飞行,并在质速关系的“监控”下永远与光速无缘。

光子为什么可以跳过加速过程直接达到光速,又永不减速呢?

在1905年出世的《狭义相对论》里,爱因斯坦提出了大名鼎鼎的质能方程,后来的原子弹只不过是质能方程的“副产品”,该方程真正的伟大之处在于揭露了质量和能量的关系。

在爱因斯坦看来,质量和能量是紧密相关且互相转化的

质能方程E=MC²里,E是物体的能量,M是物体的质量,C是真空光速,由方程反推可得任何一克物质都拥有90万亿焦耳能量(约等于2500万度电),这也是为什么核弹能拥有巨大威力的直接原因。

对拥有质量的物体来说,加速过程是需要能量来维持的,但在质速关系指明“质量会随着速度增加而增加”的情况下,初始质量再微小的粒子,在达到光速之前自身质量也会膨胀成无限大,相应就需要无限多的能量来进一步向光速逼近,但可惜宇宙中不存在无限多的能量。

光子之所以具备光速,是因为“单光子”在静止状态下是不拥有质量的。

但质量来自于何处,为何光子如此特殊?

用物理视角向微观逼近,我们会看到分子和原子,原子和原子核,原子核与核外电子,以及构成原子核的质子中子,再进一步分割的话,就是构成质子中子的夸克了。

以上这些形形色色的“微粒”,已经被物理学家用三大基本力做成的框架,约束在“粒子物理学标准模型理论”中了,而质量本身则来源于“静止质量不为零的粒子”与“希格斯场”的相互作用

希格斯场大体上可以被看成一个遍布全宇宙的“阻力场”,绝大部分粒子的质量就是来自于受到“阻力”后的减速。

诞生于电子能级跃迁过程中的光子,本质上来说是一种纯能量,或者说是电磁波的一部分,生来不具备静止质量的它无法与希格斯场发生相互作用,也不受质能方程的约束,它只会忠实的保持着自己的初始速度,除了在进入不同介质时发生变化外,其他任何时候都是每秒三十万公里。

对人类以及宇宙中每个智慧文明来说,光速都是一堵墙

因为不论是今天的化学动力火箭,还是未来的核聚变飞船甚至是反物质飞船,它们的推进方式都离不开反作用力,区别只在于是否携带工质而已。

离不开反作用力,意味着再高明的推进方式也还是会受到质能方程的影响,因此在不考虑时空特性的情况下,光速对每个智慧文明来说都是无法达到的速度。

而如果一个文明连光速都达不到,它的扩张范围就将被局限在临近恒星系,一旦耗尽周边恒星系的资源,文明便会消亡。

虽然广义相对论成功预言了“时空弯曲”,并且还为虫洞技术以及曲率驱动技术提供了理论支撑,但事实并没有那么简单。

虫洞本质上是对时空特性的最大程度应用,但在目前的理论中只有大质量天体才能通过引力扭曲时空,黑洞算是现在科学界发现的时空扭曲到极致的产物了,但它并未和虫设想中的虫洞一样,“打通”两个不同的时空区域,所以单就时空扭曲的程度来看,虫洞是远胜于黑洞的。

人类从何处取得足够的质量来扭曲时空,又如何将时空扭曲并连接,确保“通道”的稳定?

科学界给出的答案是“奇异物质”或者说“负质量”,这种假象中的物质可以产生“外力”来抵消引力,保证虫洞结构的稳定,并让“普通物质构成的人类”活着穿过虫洞。

而比虫洞更灵活的曲率驱动技术,目前尚无足够的理论支撑,而且“曲率驱动飞船”究竟是无限接近光速的飞船,还是“包裹在曲速泡”中的超光速飞船?,科学界目前也没有准确答案。

其实比起如何超光速的五花八门,如何解决高速运动中的时间膨胀,才是更有意义也更本质的问题、

如果时间膨胀效应没有一个好的解决方案,那未来的太空探索将是一场不折不扣的“单程票”,因为时间膨胀意味着,选择以光速或者近光速遨游宇宙,就得放弃人类世界的一切。

驾驶光速飞船旅行者们,一定是宇宙中最孤独的存在

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来自:r628  > 自然科学
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