從愛因斯坦到NASA:人類超越光速會發生什麼?或許不可能實現

光速即為極限速度

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光速,目前科學界公認的說法是:它能達到29萬公里每秒。光速之快,快到似乎無法超越,於是乎在相對論中,愛因斯坦提出了光速是速度極限的猜想。這一猜想在實踐上和理論上都有待於進一步探討。但就目前所掌握的知識來看,這一理論似乎是正確的。

光速就是宇宙中物體運動的最高速度。根據質量和能量的守恆:粒子的質量變能量,能量多大速度就有多高。根據著名的智能轉換公式:E=mc²,E代表energy(能量),m代表message(質量),c代表constant,也就是真空中光速的常量。


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當物體的運動速度達到光速的四分之一的時候,那麼物體的質量將隨著速度的增加而增大;當物體的速度接近光速時,它的質量將趨近於無窮大。根據這一公式我們可以推斷出:有質量的物體達到光速是不可能的。

然而需要注意的是:光子的質量為零,所以光子的整個質量已徹底變成能量。也就是說:光子的能量已達到極限,那麼光子的速度也就達到了極限,這就是光速極限。相同的道理:電磁波在真空中移動的速度也和光速相同。


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所以基本上我們可以推斷出:如果光速極限的理論是正確的話,那麼人類將永遠無法建造一艘達到光速的飛船,超光速旅行更是不可能的。這就限制了時間機器和改變歷史的情況出現。但是我們仍然可以通過一些手段來繞開這一光速極限的規則達到超光速的目的。

然而根據一些外星人愛好者來說,外星文明是有一定的方法來繞開光速的限制,這是因為他們普遍認為:如果在鄰近的星系中存在外星文明,那麼考慮到生物是有一定壽命的,離地球最近的恆星半人馬座阿爾法星,上面的生物即使是乘坐一艘達到0.99倍光速的飛船往返地球也需要8.4年,傳說中的“小灰人”來自於Zeta雙星系,距離地球39光年,往返也需要78年;而地球上的上古文明都提到的獵戶座往返地球則需要3000年。上述時間對於任何一種不是以永生狀態存在的生物體來說,都是不能承受的時間,這說明一定有一種技術和理論可以繞開光速極限達到遠距離旅行的目的。


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人類最快速度


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人類目前製造最快的飛機是美國NASA的X-43A超高音速無人偵察機,它使用的是超高音速衝壓發動機。2004年,一架改裝過的B-52轟炸機攜帶著飛馬座火箭飛到了12000米的高空,釋放了飛馬座火箭。火箭加速到音速然後釋放X-43A偵察機,在最後的衝刺階段,X-43A達到了9.8馬赫的速度,相當於11000公里每小時,這是人類在大氣層內速度最高的飛機。按照這一速度,只需要六分鐘就可以從北京飛到上海,只需要四分鐘就可以從上海飛到臺北。


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阿波羅十號三為宇航員

1969年,阿波羅十號月球飛船返回地球。在返回大氣層的時候加速到了四萬公里每小時。換算下來就相當於十一公里每秒,這是人類有史以來載人飛船的最高速度。而三名宇航員:斯塔·福德、約翰·楊和尤金·塞爾南成為了史上最快的三個男人(滑稽)

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阿波羅10號

然而,就算依照阿波羅十號返回地球的速度去拜訪“小灰人”的故鄉Zeta星系,也需要156萬年!

1977年發射的旅行者一號目前的速度是17公里每秒,相當於68000公里每小時,它至今已經飛了200多億公里,是人類飛行距離最遠的飛行器。


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旅行者一號

2018年為了研究太陽風而發射的“帕克太陽探測器”,它的最高速度達到了95公里每秒,也就是38萬公里每小時,這是人類目前為止速度最快的飛行器。然而這個速度只達到了光速的0.0003%。


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帕克太陽探測器

如果是使用火箭燃料的飛行器,想要飛得越快需要添加更多的燃料。假設有一艘重十噸的飛船隨著不斷增加的速度,那麼根據質能轉換公式,將飛船加速到光速需要的能量是無窮的。就算把整個宇宙的能量全部用來給這艘飛船加速也無法讓其達到光速,因為這本身就是不可能的事情。


離子引擎


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普通火箭的工作原理,是在引擎燃料室的密閉空間裡燃燒,利用燃燒的液氧和液氫來釋放燃料中儲存的化學能,使得氣體以超高速度噴出,實現昇天。但是化學燃料存在推進上限,這也就導致化學燃料驅動的火箭,哪怕要達到光的0.01%都不可能。那麼提高飛船速度的方法就是尋找更有效率的燃料來驅動飛船。


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離子引擎是一種完全不需要化學燃燒的發動機,它能夠從原子中抽出一些電子來使中性氣體電離,使其產生一團正離子,而這個燃料就是氙氣。一些比較亮的汽車大燈使用的就是氙氣大燈,就是將燈泡中的氙氣電離形成電弧放電,並使之穩定發光。因為是氣體燃料,那麼飛船就可以攜帶質量、體積較少的燃料來達到較高的動力。要知道:化學燃料火箭的燃料一般要佔到火箭質量的90%以上!若是以氣體作為燃料,那麼可以大幅度地降低燃料火箭佔比。


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1998年美國NASA發射的深空一號探測器,就是採用了氙氣作燃料的離子發動機。雖然發動機的功率相對較低,但是它在真空中還是達到了三萬米每秒的速度,最高速度達到了11.5公里每秒。深空一號反響巨大,因為這是人類第一次將離子發動機投入實用。

然而,離子發動機也有著缺點。離子發動機和傳統化學燃料發動機相比的缺點是:它不能像化學燃料一樣在瞬間爆發出巨大的推力,它需要利用幾個月甚至是幾年來不斷加速,達到非常驚人的速度。歐洲航天局ESA測試了一種新型的離子發動機,裝填了飛船質量90%的燃料,最終達到了700公里每秒的速度,相當於光速的0.002%左右,這又進一步接近了光速。


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很多科幻電影中一些酷炫的太空船,它們的尾部發動機噴出的一團幽藍色的光,就是使用了離子發動機。


太陽帆飛船


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在理論裡,人類還可以通過一種叫做太陽帆飛船達到更快的速度。它就是利用一大塊鍍金材料接收太陽風的光壓,因為太陽發出的光類似於波,它也是一種微小的固體粒子,即光子。就像在大海中翻船使用的海風吹動風帆一樣,當光子撞到光滑的表面上時,就會反彈回來並且給撞擊物體以相應的作用力。

但是單個光子所產生的推力極其微小,在地球到太陽的距離之間,光在一平方米太陽帆上所產生的推力也只有0.9達因,甚至還不到一隻螞蟻的重量,因此這個太陽帆就要造得非常大。如果帆的表面積是一公里乘以一公里,也就是一平方公里的話,那麼這個太陽帆飛船依靠太陽所產生的動力,它在第一天的速度是160公里每小時,但是和離子發動機一樣,只要時間夠長就可以產生非常驚人的速度,一年以後就可以達到58000公里每小時。


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由於太陽風可以達到的距離非常遠,所以歐航局ESA的科學家估計:太陽帆飛船最終可以加速到75000公里每秒,也就是光速的25%。

太陽帆還可以用來對抗撞向地球的小行星或者隕石。如果能夠提早發現即將飛來的隕石,就可以提前把太陽帆飛船降落在隕石上這樣就可以給隕石不斷加速或者減速,讓其遠離地球。太陽帆飛船的大規模應用,將使零級文明跨越到一級文明的標誌性特徵。


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曲速引擎


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即使理論上是可以達到光速的四分之一,太陽帆飛船離真正超越光速還有很遠的距離。我們設想一下:如果光速真的是宇宙的終極速度,被自然法則所限制,那麼人類即使窮盡所有,也無法造出超越光速的飛船。但是或許在未來有很多方法可以繞開這種限制,達到超越光速的目的。狹義理論告訴我們:飛船飛得越快就需要越多的能量,當飛船接近光速時,加速的能量就會增長到無窮大,同時非常的質量也會無窮大,進而無法提速。這個光束限制就好像是有一個警告:到此為止不能再往前了。


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但是愛因斯坦的解決方法非常巧妙:在他的狹義相對論中空間是平的,但是他同時認為空間是可以彎曲的,這就是廣義相對論。這一理論很快就由太陽系的高精度天文觀測所證實了。

時空本身就是可以被摺疊和壓縮的,質量足夠大的恆星可以彎曲周圍的空間,就像一張具有彈性的布。當它是一個平面的時候,放下一個很重的球,這個球就會陷進去。這個和空間彎曲的表現非常類似,在太陽系中,因為太陽對周圍空間的彎曲,所以讓這些小球(也就是八大行星)被定格在太陽周圍的彎曲空間內。這就是為什麼行星會圍繞著恆星旋轉的原因。

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基於這一理論基礎,1994年墨西哥的物理學家米格爾·阿庫別瑞發表了一篇論文,詳細描述瞭如何利用廣義相對論進行時空扭曲,就是所謂的曲率引擎,也叫做阿庫別瑞引擎。這是一種通過彎曲時空來實現超光速旅行的方式,而在60年代著名的科幻劇《星際迷航》中就已經將這種曲率引擎作為太空船的標配發動機了。

曲率引擎飛船的工作原理,就是講前方的時空拉到後方,要做到這點必須要使用的是一種可以扭曲時空的神秘物質。激活這種物質後,吸引力壓縮飛船前方的時空,並將時空拖到飛船後方,並不是飛船本身超越了光速限制,而是時空本身在飛船周圍移動;而且飛船啟動的時候,看起來就像在一個泡泡中,而人在飛船裡是不會受到任何引力的影響,也就是一點感覺都沒有。


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在飛船的前方,曲率引擎啟動的時候可以看到:所有的星星都被拉伸成了一條線,而在飛船的後面則什麼都看不到,一片漆黑。根據引力作用的不同,飛船可以光速,超光速十倍甚至是幾十倍的速度到達目的地。擁有這種引擎,到達幾百光年以外的地方都成為了可能。帶小灰人從Zeta星來到地球的,可能就是這麼做的。

但問題是:當阿庫別瑞去探明這種起曲速引擎所需要的神秘物質時,他發現這種物質的需要具有負壓強和負能量,這樣的物質與目前所知的任何物質屬性都完全不同。所以物理學家把這種理論上存在的物質叫做奇異物質,它可能存在於中子星或者是黑洞的內部,因為這種星體的巨大引力會極度扭曲周圍的空間,甚至科學家認為在宇宙中還存在於一種全部由奇異物質組成的夸克星。


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2013年北京質譜儀BES3與日本KEK的BELLE團隊發現了Zc(3900)的夸克態,Zc(3900)如果確認成立,其意義將十分重大,因為它的存在將正式確立多夸克態物理的成立,這樣就會誕生一種整門新的物理學。跨剋星是極有可能存在,那麼這種奇異物質的獲取就成為了可能,曲速引擎將變成現實。

有人可能會問:為什麼不自己合成奇異物質呢?實際上,在實驗室裡合成奇異物質要比合成反物質還要困難得多,而窮盡整個地球的資源也可能只能合成幾個原子級別的奇異物質。通過計算,要建造一艘超越光速一倍的曲速飛船所需要的奇異物質總量,相當於整個太陽質量的三分之一,這根本就不是目前的人類所能做到的事情。星際迷航中企業號的服役時間是2151年,也就是100多年以後。很顯然:20世紀60年代的編劇對於奇異物質的力量一無所知。


超光速的意識


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也許在未來我們可以換一種思路:我們發明超越光速的飛船也就是為了讓自己能夠快速到達某個地方,但是對於我們的身體和飛船本身來說:把任何質量大於光子的東西加速度達到光速都是不可能的,但是如果我們最終能夠搞清楚意識是什麼,或許我們就可以解決上述的問題了。


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實際上,我們到現在還沒有搞清楚意識的本體,它究竟是一種能量、一種物質還是一種波?如果它是一種波,並且還可以以一種方式脫離物質而單獨存在,那麼把這種波加速到超越光速就是可能的。也許在未來等技術成熟以後,我們在家足不出戶就可以遨遊整個宇宙,甚至是回到過去或者未來。但是這一切都需要我們真正搞明白意識是怎麼一回事,這樣看來研究意識比研究超光速要簡單得多。等到真正實現之後,這一切也就是四級文明以後的事情。



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