火箭在太空中一直加速,能够超越光速吗?两种方法或许可以
在人类探索地球和宇宙时,速度是一个重要辅助。古代的人,正是因为缺乏高速的交通工具,没有高速的优势,对世界的了解非常有限。
当人类进入科技时代,在科技的帮助下,人类发明了先进的交通工具,人们对探索地球充满了希望。由于速度的优势,地球从原来的广袤大地转变为一个地球村,实现了古人的梦想。
去地球旅行,对现代人类来说根本不是什么事情,只要你愿意,可以在很短的时间里,去到地球的每个角落。而且人类走进了技术时代,目光已不再局限于小小的地球,而是放眼宇宙。
面对宇宙,地球渺小如尘埃,探索浩瀚宇宙已成为人类新的追求。而且要探索宇宙自然也需要速度这一优势,我们在地球上自以为骄傲的速度,在宇宙面前连龟速都算不上。
物体在宇宙中航行,当然基本不会产生阻力,这是因为宇宙中的物质密度非常小,在465亿光年半径的可观察宇宙中,存在着10^50吨之多的物质。但是转换成密度,只有9.9 10^-27千克/立方米,也就是说1立方米的空间里只有5.9个质子。那就是说空间几乎是真空的。
宇宙中有一次穿梭于基本接近真空的状态,物体运动时的阻力基本上为零,正是因为宇宙中阻力基本为零,地球才能绕太阳46亿年之久。假如存在着明显的阻力,那么地球早就耗尽了能量并落入了太空。并且宇宙中的物体能够始终保持稳定的运动状态,与宇宙的基本真空环境有着密切的联系。
根据牛顿定律,因为宇宙是真空状态,所以只要给予物体持续的加速度,从理论上讲,它就能一直加速。所以有一些朋友产生了这样的疑问:如果火箭能在宇宙中一直加速,能不能超过光速?
以前,根据牛顿第一定律,人们会自然而然地认为,火箭能在真空环境中一直加速,只要保持不变,就能达到光速,超过它。
然而,随着狭义相对论的提出,对于速度的问题,有了一个初步的结论,即速度不能无限加速,它有一个极限,那就是光速。物体的质量速度只能无限接近光速,更不可超越。为何物体的速度不能超过光速?
根据牛顿第二运动定律,只要火箭有动力,加速度始终大于0,火箭就可以继续加速。在这一点上,火箭会加速到超光速,这只是时间问题。但是狭义相对论又指出,物体的运动与质量是成比例的,随着运动速度的增大,物体的质量也随之增大。
随着速度加速到无限接近光速,物体运动的质量也将无限增大,这意味着物体的动物也将无限增大,所需能量也将无限增大。在宇宙中,没有无限的能量能使物体达到光速,更不用说超过光速了。因此,具有静止质量的物体也不能达到连光速。
因此,相对论对物体不能达到光速的描述是正确的吗?这一点已经被科学家们通过大量的实验所证实,结果表明物体确实不能达到光速。这一验证由科学家用粒子加速器进行,通过对电子的加速,得出实验结果。
电子的质量只有9.1 10^-28克,根据经典物理计算,使电子达到光速所需的能量只有4 10^-14焦耳,这是一种很小的能量,很容易做到。但实际上,科学家们用目前世界上最强大的强子对撞机加速了电子,但无论怎样努力,电子的速度都只有99.999999%,与光速的距离无限接近。
从试验中我们可以看出,实际上,物体的速度并不能达到光速,更别说超过光速了,因此,火箭在太空中无论怎样加速,都不可能达到光速。看着这结果,相信很多朋友都会很沮丧,要知道浩瀚的宇宙大得让人难以想象,光是人类可以观察到的宇宙,就有930亿光年。
假如物体的速度不能超过光速,那就意味着人类将永远被困在一个有限的星空范围内,不要说探索整个星空了,就是一个我们无法穿越的小星系。丧失了速度的优势,人类又谈什么去探索宇宙,又如何实现自己的梦想?
难道速度不能超过光速?物体的速度确实连光速都无法达到,但在这个神秘的宇宙里,却存在着不少的超光速现象,最引人注目的就是宇宙的膨胀,其速度远远超过光速。
所以爱因斯坦又提出了伟大的广义相对论,在这个理论中,速度是不受光速限制的,只要条件允许,速度就能无限提高。所以在广义相对论中的速度和在狭义相对论中的速度是对立的?实际上并不矛盾,狭义相对论的速度指的是物体运动的速度。
在广义相对论中,速度指的是空间的扭曲程度,根据广义相对论,我们的宇宙并非是坚硬、平坦的空间,我们可以把宇宙想象成一个柔软的气球,有质量的物体会挤压宇宙空间,使两点之间的距离不断地缩小。
如果物体落入这样的弯曲空间,那么它就能从一个空间点迅速到达另一个空间点,从而实现超光速飞行。科学家将这一飞行模式称为曲率航行,或称为空间跳跃。这种方法可以实现超光速飞行,曲速飞船可以使前面的空间处于收缩状态,而使后面的空间处于扩张状态,这样,曲速飞船就可以在这样的曲速气泡中以高速移动,甚至可以超光速。这一超光速并不违反狭义相对论,因为飞船本身的速度还没有达到光速,而超光速是在飞船周围的空间中进行的。
还有一种方法可以实现超光速溶解飞行,即穿过虫洞。根据相对论,在扭曲到极限的宇宙中,形成了一个通道,通过这个通道,我们可以迅速地到达宇宙的另一端,这是未来人类有希望去探索宇宙的最主要方式。
关于虫洞在现实生活中是否存在,目前还仅仅是一个理论上的猜测,还有待于科学家们的不断探索。假如我们能发现宇宙中虫洞的存在,那么人类将来把宇宙改造成宇宙村的梦想也有可能实现。
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