当前位置:生活聚焦网热点正文

光速能否被逾越星际游览终究能否行得通

2020-06-13 15:37:20 来源:腾讯生活作者:责任编辑NO。郑子龙0371

“宇宙不仅比我们想象中离奇,它比我们所能想象的还要离奇。”

——艾丁顿(1882-1944)

为了实现星际旅行,我们的速度必须比现有的技术快得多。假设要去离我们最近的半人马座α星,即使是以每秒186,000英尺(六亿七千万英里每小时)的光速,也要花四年时间。更准确地讲,时间将会比那更长,因为达到光速需要产生2G的力,这需要花六个月时间,自然,减速又需要六个月时间。所以想要去离我们最近的漩涡星系——仙女座大星系,需要花两百多万年。所以我们一定要比光速还要快,但那是有可能的吗?

(图解:仅220万光年外的近邻:仙女座大星系)

相对论明确地告诉我们,比光速更快是不可能的。这不是由于任何技术上的限制,而只是因为光速是时空构造的基本部分。让我们来看看原因。

质量与能量

想象一下,我向你挑战扔石头的比赛,看谁扔得更远。这里有两块石头供你选择,一块是大而重的,另一块是小而轻的。很明显我们都会选择小的那块,因为越轻的扔得越远。站在科学的角度来解释,我们可以说,较轻的石头质量更小,当它被给予一定量的能量时速度更快,因此更远。

但是,我不满意扔石头比赛的结果,因为你比我更高大,更强壮,因此这场比赛不公平。实际上,你用了更大的“引擎”来加速石头。为了克服我们“引擎”不同的问题,我向你挑战赛车。谁用最快的时间绕赛道一圈,谁就赢。我们都认为这是一场更公平的比赛,因为如果车是一模一样的,我们现在就势均力敌。

我们用的车有相同的引擎,所以赢家应该是驾驶技术更好的那个人。(我希望)我们都有相同强大的汽车,从而可以高速驾驶。但你不知道的是,输了扔石头比赛之后我特别难过(我成为了一个可怜的失败者),所以我这次作弊了,我贿赂了其中一个机修工,让他在你汽车的后备箱里偷偷放了1000英磅的铅,我想以这种方式确保我的胜利(咯咯地笑)。

比赛按时举行。惊喜,太惊喜了!我胜利了!然而,我的庆祝活动很短,因为官方调查很快就揭露了我卑鄙的计划。你是怎么知道我作弊的呢?那是因为,汽车本应该有相同的引擎,本应该在每一方面都一模一样。你的车耗尽了汽油,而我的却没有。此外,当一直往前开时,我的车却比你的快。为什么呢?这很简单,因为你的车比我的车重得多,用相同的引擎不仅不能开得很快,而且还会用掉更多的汽油。在扔石头比赛中,我们能用更科学的措辞来解释。所以可以说,一个物体质量越大,要达到并维持所给定的速度所需要的能量就越大。

我们现在已经知道,为了达到尽可能高的速度,需要一个质量尽可能小的物体,并且用尽可能最强大的引擎来给它加速。

然而,我们还需要仔细考虑一些别的问题,而且这涉及相对论。

狭义相对论

相对论告诉我们,一个物体的速度增加了,那么它的质量也增加了。这听起来很荒谬,物体的质量怎么会增加呢?答案就在于相对论的核心,也就是爱因斯坦最著名的方程: E = MC²。简单来说,这告诉我们能量和质量是可以互换的,并且我们已目睹了它在原子弹爆炸中带来的影响。不过我们不需要为了理解所涉及的原理,而去了解原子弹的工作原理,它有点复杂。狭义相对论告诉我们高速运动的物体质量会增加。这种质量增加不会被任何携带物体的人所觉察到,只会被那些可以看见物体运动的参照系中的观察者所发现。对他们来说,运动物体的质量根据相对论力学方程增加,因此如果物体能达到光速,它将会有无穷大的质量。

假设你正在思考——“E”代表能量,“M”代表质量,而“C”代表光速,或者,能量等于质量乘以光速的平方。

洛伦兹收缩

以相对速度运动的物体,相对论对其有另一种影响。除了获得质量,它们还会在运动的方向上缩短长度——它们变得更小了!让我们看一看另一个常见的例子来感受一下。

试想象,我们刚买了一辆全新的跑车,内心无比激动,于是立刻开着它去了离这儿最近的赛道,想试一下它的速度。到达时,我们慎重决定,先让轨道专家测试一下这辆车。他绕着赛道出发,没多久,车速就提到了120英里每小时。我们对车的表现十分高兴,但又开始担心这辆车太大,我们的车库会放不下。于是决定,当车经过我们时,估计一下车的长度。我们已知道车速是120英里每小时,所以我们设立起一个非常精确的设备,当整辆车经过一个固定点时,就能够获得一个精确的时间。这个假想的测量仪十分精确,它可以测量到小数点后十三位的精度。然后很简单,用测量出来的时间乘上120英里每小时的速度就能够获得车的长度了。答案是15.9999999999974英尺。

当车最终停下来的时候,我们决定去核实我们的测量,结果发现这辆车很精确的是16英尺长。无论是在运动时还是静止时,测量都没有错误,但最后的差异却是真实的。在实践中,我们无法在相对于光速下如此低的速度中检测出这种微小的差异,但是如果在相当大的速度下,这种差异就会变得很明显。如果一艘宇宙飞船以五亿八千万英里每小时的速度(大约光速的87%)航行,它的长度将会是它静止时长度的一半。为何会这样呢?

这种效应被称为“洛伦兹收缩”,你将会在章节“时间是什么”中回想起它。我们研究了速度对时间的效应,我们在空间中移动得越快,就在时间中移动得越慢。这种效应被称为“时间膨胀”。如果现在我们把这个知识应用到车的测量中,就能明白为什么速度越快的时候车长就越短。同时,必须要考虑到所有运动都是相对的。例如,我们不能说某个恒星正在以每小时1,000,000英里的速度移动,而应该说它正以这个速度相对于什么而移动,因为它可能正以那个速度远离我们,但也可能正以每小时5,000,000英里的速度相对于另一个星系移动。在我们车的例子中,车速是相对于我们以及测量设备而言的。相对论告诉我们,我们中的每一个人都在移动(当你考虑到地球的自转时,就是这样的)。

用一艘高速掠过地球的宇宙飞船来举例。从宇航员的角度看,地球快速经过时他是静止的,因此我们的时钟运行缓慢。于是,他意识到,我们对飞船的间接测量值会比静止时的测量值要小,因为在我们的计算中(长度等于速度乘以经过的时间),我们是用运行缓慢的时钟计算经过的时间的。如果运行得慢,经过的时间将会更少,长度的测量结果也会更短。这个例子表现了一种常见现象——观察者会感觉运动物体在它的运动方向上缩短了。

我们现在可以把包含了狭义相对论,洛伦兹收缩和时间膨胀的所有这些信息整合起来,变成下列简洁的结论:

1.速度导致物体质量的增加

2.速度导致物体在运动方向上收缩

3.速度导致时间变慢

宇宙中运动速度最快的粒子是光子,它的质量为零,这一点十分重要。尽管爱因斯坦的方程告诉我们任何物体都不能被加速至光速甚至超过光速,光子依然以光速存在,它也没有被加速至光速。再者,爱因斯坦的方程并没有排除比光速更快的粒子存在的可能性,这导致它们无法以低于光速的速度运动。

有了这些信息,让我们尝试超过光速,开始一段令人兴奋的高速太空旅行吧!我们出发了,当穿越太空的时候,我们逐渐把速度提升至光速的98%。此时,一个静止的观察者可以发现,飞船的长度比静止时短了80%。我们的密度增大了,时间也流逝得缓慢,但并非每种效应我们都能明显感觉到。我们继续提速至光速的99.5%。

在这个速度下,飞船上的时间流逝仅仅是静止的观察者的十分之一。我们继续提速至光速的99.9%,时间流逝格外的慢,飞船的长度大幅度缩短,质量增加了22倍。质量的增加导致我们不得不加大发动机的使用。我们仍然向光速推进,达到了99.999%,情况变得紧张起来,我们的质量增加了224倍,时间几乎停止了,我们缩小成仅仅一个点!继续加速至差不多光速的99.99999999%,情况变得艰难起来。我们的质量增加了70000倍,时钟慢得像停止了,我们几乎缩小到没有了!

在这种情况下,我们不得不放弃继续加速。当速度持续增加时,质量也在持续增加,所以需要的能量也增加了。因此,质量持续增加时,当我们接近光速,质量快要接近无穷大了,需要的能量也快接近无穷大了。如果可能的话,在光速下,我们的质量将会是无穷大,我们将会需要无穷大的能量,我们将会变得无穷小,时间将会停止。

我们不能以光速航行。光速似乎是时空性质的一部分,正如在“时间是什么?”里讨论的一样,看来我们只能以一种速度航行,那就是空间速度和时间速度结合而成的光速。

现在到了你所知道的“问题”部分,它又一次来自于量子力学的奇特世界。我们似乎无法避开它,是吧?

EPR实验

这个实验是由阿尔伯特·爱因斯坦(Einstein),鲍里斯·波多尔斯基(Podolsky)和纳森·罗森(Rosen)设计的(因此称为“EPR”),它是作为一个思维实验来证明量子理论不正确的。虽然那时还不存在能够实现这个实验的技术,但爱因斯坦相信,从理论上讲,它能证明量子理论的愚蠢之处。爱因斯坦的相对论指出超过光速是不可能的,但这个实验的设计使它能够以超过光速的速度通信。尼尔斯·玻尔的量子力学理论允许配对粒子之间的即时通信,这与爱因斯坦的相对论不一致。

我们已从之前对实验“什么是量子力学?”的检查中看到了,即时通讯确实发生了,它实际上在十公里的距离上进行并且被认为是正确的。再一次地,我们遇到了新情况:在量子世界里,这种“不可能”将转变为可能,这一次是以远程即时通讯的形式发生的,这在某种程度上预示着超光速的通讯的确在发生!

光可以比光速更快吗?

在一张2000年7月19日的报纸中,一组来自新泽西州普林斯顿的NEC研究所的科学家们宣称,他们成功地通过一个特殊的小室,以超越光速的速度发射了光脉冲。科学家们解释了,他们如何通过一个6厘米的,含有一种非自然形式下的铯的小室,并在更非自然的几乎为绝对的零度的温度下发射了光脉冲。这个光脉冲速度相当快,以至于在它进入之前,它的峰值就轻微刺激到了铯室。研究人员王立军、亚历山大·库兹米奇和亚瑟·多加里奥在一份声明中写道:“由于经过特别制备的原子细胞(铯室)处于非自然存在的一个状态,因此,我们无法精确解释这种效应。”研究小组很快指出,这项研究并没有违背爱因斯坦的狭义相对论,即光速无法被超越,因为光速被超越将导致时间的倒退。王说:“或多或少你都无法超越光速。”但是,适用于物的限制并不适用于光波。

事实上,正是通过利用不同颜色光的波来互相放大并产生了脉冲,研究人员才能在光完全进入之前,在另一边借助铯细胞使光扭曲并完成自我重建。据研究人员所说,实验没有违背因果关系原则,这就要求所有可能产生影响的原因都要及时被发现。事实是,光脉冲的峰在它进入之前就已经存在于小室中,这是光波在铯细胞的另一边建造了一个一模一样的脉冲所产生的结果。所以这并不确切是同一个脉冲。“这在某种程度上预示着,即使‘效应’似乎领先于‘原因’,你仍然不能以超越光速的速度发送信息。”伦敦帝国学院的乔恩·马兰戈在一篇关于这项研究的评论中写道。(也出现在《自然》中)

我的想法

看来,超越光速对于光来说,也许是可能的。然而,它不允许任何形式的交流,除非一个粒子告诉它所配对的另一半要坍塌成什么状态,当然不允许它变成固体物质,至少目前看来是这样。但是事物总是会变化的。

至于以超光速的速度进行太空飞行,唉,我认为是不行的。崔基,抱歉了,我想爱因斯坦是对的。但现在还没有必要放弃。

FY:Charon

作者: Keith Mayes

如有相关联的内容侵权,请于三十日以内联系作者删除

转载还请取得授权,并注意保持完整性和注明出处

“如果发现本网站发布的资讯影响到您的版权,可以联系本站!同时欢迎来本站投稿!