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“速度为99%光速时, 时间就膨胀了7倍”是怎么算出来的?
“听说天上的一日,等于地上的几千年,叫什么‘天上方数日,地上几千年’吧!”
那咱们就算算:
要说明这其中的道理,必须说到著名的犹太人科学家爱因斯坦。他在1905年创立一种理论,叫《相对论》。当然,《相对论》的理论是深奥的,但我们不去研究《相对论》本身,而只要借用他的结论就行了。
“什么结论?不难懂吧?!” 这个结论就是:光速是宇宙中最快的速度,其他任何物体的运动速度只能无限接近光速,不可能超过光速。 “那宇宙航行更没有希望了。” 别急,奥妙就在这里。虽然任何物体的运动速度不可能超过光速,但当它接近光速时,时间会膨胀(变慢),距离会缩短。越接近光速,时间膨胀得越多、距离缩短得越多。 根据这个结论,宇宙飞船高速飞行时,如果时间膨胀了1倍,飞船上的1天,等于地球上的2天;如果时间膨胀了1825000倍,则飞船上的5天,等于地球上的5000年。你看,这不是“天上方数日,地上几千年”吗?
具体膨胀多少,可以根据速度的大小算出来。如当飞船的速度达到光速的90%时,时间膨胀2.3倍,距离缩短54%;当达到光速的99%时,时间膨胀了7倍,距离缩短86%,这样,到4.3光年的半人马座只要7个月;到8.7光年的天狼星只要1年3个月;到16.63和26.3光年的牛郎、织女星分别只要2年4个月和3年9个月了。当飞船的速度达到光速的99.999999%时,到半人马座a星只要50多小时,到天狼星只要100多小时,到牛郎星和织女星分别只要200小时和300多小时。当飞船的速度提高到光速99.9999999%时,时间将膨胀2000多倍,飞船上的4小时相当地球上的一年。这样,到达上述4颗恒星分别需要17小时、35小时、66小时和105小时,这大致只相当从北京坐火车到上海、广州、乌鲁木齐和莫斯科的时间。当飞船的速度提高到小灵敏点后面10个9的光速时,到牛郎星只要2.04小时,这就只相当城里人到郊区去旅游了。你可以吃过早饭到那里去送个信,再赶回家中吃午饭。如果飞船速度非常非常接近光速,飞船上的一秒钟可相当地球上的几年、几十年到期千百年,你可以花上一两个小时绕银河系(跨度10万光年)转一圈,花一天的时间就可到达距我们230万光年的仙女座,或者更远的星系。当然,当你从那里返回时,地球的面目早就不是原来的样子了;而你的亲人更是无法考证了。
你也许会问,汽车、火车、飞机和火箭速度那么快,为什么没有看见时间膨胀、距离缩短呀!回答是肯定的,只是它们的速度相对光速来说,小得太多太多。如汽车、火车的速度每小时约80千米,每秒才0.02千米,这样的速度只能使距离缩短一个原子核的直径那么一点点。形象地说,只要一粒大米的亿万分之一。对于1小时飞1000千米的飞机来说,距离也只缩短一个原子的直径那么大一点;即使是达到第二宇宙速度的火箭,也只能使距离缩短1%毫米,所以我们感觉不出来。
相对论虽然奇迹般地解决了宇宙航行的时间、距离和生命问题,但接下来的问题是,有什么能源,有什么方法使飞船的速度接近光速呢? 1953年德国人桑格尔提出光子火箭的设想,科学家认为,光是由光子组成的,如果火箭向后喷射光子,就可推动飞船以接近光速的速度飞行。那么,如何产生光子呢?大家知道,物质是由和种粒子组成的,同时,有正粒子就有反粒子,如正电子和负电子等等。正粒子和反粒子相普时,会同时消失而生成光子,这叫“湮灭”。
“什么叫“湮灭”?” 空中正电和负电相碰发出闪电就是这个道理呀。有人计算过,0.5千克正粒子和0.5千克 反粒子湮灭,能产生相当于1000千克铀裂变反应释放的能量。用25吨正粒子和反粒子湮灭,可使飞船以98%光速的速度飞向半人马座a星,再用25吨正粒子和反粒子湮灭来减速,就可以把一吨位载荷送到那里。问题是,地球上的反粒子很少,大量制造也很困难。 美国有个著名的实验室叫“洛斯·阿拉莫斯”。50年代末,一些科学家在那里进行实验,设想用氢弹爆炸产生的冲击波,推动飞船胶进,这叫核脉冲推进。他们设计了一和艘叫“奥利安”号的飞船,计划在1968年飞往火星并返回。1968年,物理学家迪森将“奥利安”号改进设计为宇宙飞船,装载30万枚氢弹,每3选举法钟爆炸一枚,在10天之内可将飞船加速到每秒1万千米的速度(光速的1/30),130年把几百人送到半人马座星系。当然,这些计划都没有实现。 飞船携带的氢弹重量太大,于是有人设想从太空中收集氢,用氢集成电路变产生能量,推动飞船前进。但太空中的氢很稀薄,要收集到足够的氢,收集器的直径需要1400千米! 随着科学技术,特别是激光技术的发展,科学家又有了新的设想,就是用强大的激光的光子压力来推动宇宙飞船。1984年,一个叫福瓦特的科学家,设想出一个叫“星束”号的宇宙飞船,它用太阳能电站卫星产生的20千兆瓦的微波束,射向飞船上直径1千米,重20克的帆,1星期内可使飞船的速度达到光速的20%,18年可到达半人马座星系。另一种叫“星集”号的飞船,采用65千兆瓦的激光束,射向直径3.6千米、重1吨的帆上,可使飞船每秒钟加速0.36米,3年后达到光速的11%,40年可到达半人马座星系。如果加大帆的面积或增强激光的能量,可使飞船达到50%的光速,用46年时间可在距地球10.8光年的E.E星系之间飞一个来回。当然,地球上的时间不是46年,而是51年。
能源和速度问题解决后,载人宇宙航行还存在一些问题。如人如何忍受巨大加速度产生的超重。为了解决这个问题,人们又想出另一个叫做“引力屏蔽”的办法。 “什么叫‘引力屏蔽’?” 你知道,物体都有引力,在宇宙中形成一个引力场。物体的惯性就是这个引力场造成的。如果设计一种宇宙飞船,它能形成反引力场,就可用反引力抵消引力。这就叫“引力屏蔽”,就是把引力挡住。由于不存在引力了,宇宙飞船只要极小的推力就可以非常接近光速的速度飞向目标。飞船中的人由于失去了惯性,也就感觉不到加速度产生的超重了。
速度问题解决后,通信仍然是一个难题。如飞船上的人从距地球850光年的参宿七处打电报与家人联系,850年后家人才能收到。如果飞船上的时间膨胀了1200倍的话,飞船上的人若每0.1秒钟发一个字码,每5个字码组成一个汉字,则地球上的人每两分钟才能收到一个字码,10分钟收到一个汉字。144个字的电服,要一天一夜才能收完。 还有,飞船以接近光速的速度飞行,宇宙中的各种尘埃和颗粒也会以同样的速度撞击飞船。同时,建造巨大而坚固的飞船,在材料和工艺上也还存在许多问题。 但是,具有高度智慧的人类,也将像解决时间、生命、能源和速度问题一样,解决存在的其他各种问题。也许你会在解决这些问题中做出自己的贡献哩!
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