从爱因斯坦到NASA:人类超越光速会发生什么?或许不可能实现

光速即为极限速度

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光速,目前科学界公认的说法是:它能达到29万公里每秒。光速之快,快到似乎无法超越,于是乎在相对论中,爱因斯坦提出了光速是速度极限的猜想。这一猜想在实践上和理论上都有待于进一步探讨。但就目前所掌握的知识来看,这一理论似乎是正确的。

光速就是宇宙中物体运动的最高速度。根据质量和能量的守恒:粒子的质量变能量,能量多大速度就有多高。根据著名的智能转换公式:E=mc²,E代表energy(能量),m代表message(质量),c代表constant,也就是真空中光速的常量。


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当物体的运动速度达到光速的四分之一的时候,那么物体的质量将随着速度的增加而增大;当物体的速度接近光速时,它的质量将趋近于无穷大。根据这一公式我们可以推断出:有质量的物体达到光速是不可能的。

然而需要注意的是:光子的质量为零,所以光子的整个质量已彻底变成能量。也就是说:光子的能量已达到极限,那么光子的速度也就达到了极限,这就是光速极限。相同的道理:电磁波在真空中移动的速度也和光速相同。


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所以基本上我们可以推断出:如果光速极限的理论是正确的话,那么人类将永远无法建造一艘达到光速的飞船,超光速旅行更是不可能的。这就限制了时间机器和改变历史的情况出现。但是我们仍然可以通过一些手段来绕开这一光速极限的规则达到超光速的目的。

然而根据一些外星人爱好者来说,外星文明是有一定的方法来绕开光速的限制,这是因为他们普遍认为:如果在邻近的星系中存在外星文明,那么考虑到生物是有一定寿命的,离地球最近的恒星半人马座阿尔法星,上面的生物即使是乘坐一艘达到0.99倍光速的飞船往返地球也需要8.4年,传说中的“小灰人”来自于Zeta双星系,距离地球39光年,往返也需要78年;而地球上的上古文明都提到的猎户座往返地球则需要3000年。上述时间对于任何一种不是以永生状态存在的生物体来说,都是不能承受的时间,这说明一定有一种技术和理论可以绕开光速极限达到远距离旅行的目的。


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人类最快速度


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人类目前制造最快的飞机是美国NASA的X-43A超高音速无人侦察机,它使用的是超高音速冲压发动机。2004年,一架改装过的B-52轰炸机携带着飞马座火箭飞到了12000米的高空,释放了飞马座火箭。火箭加速到音速然后释放X-43A侦察机,在最后的冲刺阶段,X-43A达到了9.8马赫的速度,相当于11000公里每小时,这是人类在大气层内速度最高的飞机。按照这一速度,只需要六分钟就可以从北京飞到上海,只需要四分钟就可以从上海飞到台北。


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阿波罗十号三为宇航员

1969年,阿波罗十号月球飞船返回地球。在返回大气层的时候加速到了四万公里每小时。换算下来就相当于十一公里每秒,这是人类有史以来载人飞船的最高速度。而三名宇航员:斯塔·福德、约翰·杨和尤金·塞尔南成为了史上最快的三个男人(滑稽)

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阿波罗10号

然而,就算依照阿波罗十号返回地球的速度去拜访“小灰人”的故乡Zeta星系,也需要156万年!

1977年发射的旅行者一号目前的速度是17公里每秒,相当于68000公里每小时,它至今已经飞了200多亿公里,是人类飞行距离最远的飞行器。


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旅行者一号

2018年为了研究太阳风而发射的“帕克太阳探测器”,它的最高速度达到了95公里每秒,也就是38万公里每小时,这是人类目前为止速度最快的飞行器。然而这个速度只达到了光速的0.0003%。


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帕克太阳探测器

如果是使用火箭燃料的飞行器,想要飞得越快需要添加更多的燃料。假设有一艘重十吨的飞船随着不断增加的速度,那么根据质能转换公式,将飞船加速到光速需要的能量是无穷的。就算把整个宇宙的能量全部用来给这艘飞船加速也无法让其达到光速,因为这本身就是不可能的事情。


离子引擎


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普通火箭的工作原理,是在引擎燃料室的密闭空间里燃烧,利用燃烧的液氧和液氢来释放燃料中储存的化学能,使得气体以超高速度喷出,实现升天。但是化学燃料存在推进上限,这也就导致化学燃料驱动的火箭,哪怕要达到光的0.01%都不可能。那么提高飞船速度的方法就是寻找更有效率的燃料来驱动飞船。


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离子引擎是一种完全不需要化学燃烧的发动机,它能够从原子中抽出一些电子来使中性气体电离,使其产生一团正离子,而这个燃料就是氙气。一些比较亮的汽车大灯使用的就是氙气大灯,就是将灯泡中的氙气电离形成电弧放电,并使之稳定发光。因为是气体燃料,那么飞船就可以携带质量、体积较少的燃料来达到较高的动力。要知道:化学燃料火箭的燃料一般要占到火箭质量的90%以上!若是以气体作为燃料,那么可以大幅度地降低燃料火箭占比。


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1998年美国NASA发射的深空一号探测器,就是采用了氙气作燃料的离子发动机。虽然发动机的功率相对较低,但是它在真空中还是达到了三万米每秒的速度,最高速度达到了11.5公里每秒。深空一号反响巨大,因为这是人类第一次将离子发动机投入实用。

然而,离子发动机也有着缺点。离子发动机和传统化学燃料发动机相比的缺点是:它不能像化学燃料一样在瞬间爆发出巨大的推力,它需要利用几个月甚至是几年来不断加速,达到非常惊人的速度。欧洲航天局ESA测试了一种新型的离子发动机,装填了飞船质量90%的燃料,最终达到了700公里每秒的速度,相当于光速的0.002%左右,这又进一步接近了光速。


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很多科幻电影中一些酷炫的太空船,它们的尾部发动机喷出的一团幽蓝色的光,就是使用了离子发动机。


太阳帆飞船


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在理论里,人类还可以通过一种叫做太阳帆飞船达到更快的速度。它就是利用一大块镀金材料接收太阳风的光压,因为太阳发出的光类似于波,它也是一种微小的固体粒子,即光子。就像在大海中翻船使用的海风吹动风帆一样,当光子撞到光滑的表面上时,就会反弹回来并且给撞击物体以相应的作用力。

但是单个光子所产生的推力极其微小,在地球到太阳的距离之间,光在一平方米太阳帆上所产生的推力也只有0.9达因,甚至还不到一只蚂蚁的重量,因此这个太阳帆就要造得非常大。如果帆的表面积是一公里乘以一公里,也就是一平方公里的话,那么这个太阳帆飞船依靠太阳所产生的动力,它在第一天的速度是160公里每小时,但是和离子发动机一样,只要时间够长就可以产生非常惊人的速度,一年以后就可以达到58000公里每小时。


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由于太阳风可以达到的距离非常远,所以欧航局ESA的科学家估计:太阳帆飞船最终可以加速到75000公里每秒,也就是光速的25%。

太阳帆还可以用来对抗撞向地球的小行星或者陨石。如果能够提早发现即将飞来的陨石,就可以提前把太阳帆飞船降落在陨石上这样就可以给陨石不断加速或者减速,让其远离地球。太阳帆飞船的大规模应用,将使零级文明跨越到一级文明的标志性特征。


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曲速引擎


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即使理论上是可以达到光速的四分之一,太阳帆飞船离真正超越光速还有很远的距离。我们设想一下:如果光速真的是宇宙的终极速度,被自然法则所限制,那么人类即使穷尽所有,也无法造出超越光速的飞船。但是或许在未来有很多方法可以绕开这种限制,达到超越光速的目的。狭义理论告诉我们:飞船飞得越快就需要越多的能量,当飞船接近光速时,加速的能量就会增长到无穷大,同时非常的质量也会无穷大,进而无法提速。这个光束限制就好像是有一个警告:到此为止不能再往前了。


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但是爱因斯坦的解决方法非常巧妙:在他的狭义相对论中空间是平的,但是他同时认为空间是可以弯曲的,这就是广义相对论。这一理论很快就由太阳系的高精度天文观测所证实了。

时空本身就是可以被折叠和压缩的,质量足够大的恒星可以弯曲周围的空间,就像一张具有弹性的布。当它是一个平面的时候,放下一个很重的球,这个球就会陷进去。这个和空间弯曲的表现非常类似,在太阳系中,因为太阳对周围空间的弯曲,所以让这些小球(也就是八大行星)被定格在太阳周围的弯曲空间内。这就是为什么行星会围绕着恒星旋转的原因。

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基于这一理论基础,1994年墨西哥的物理学家米格尔·阿库别瑞发表了一篇论文,详细描述了如何利用广义相对论进行时空扭曲,就是所谓的曲率引擎,也叫做阿库别瑞引擎。这是一种通过弯曲时空来实现超光速旅行的方式,而在60年代著名的科幻剧《星际迷航》中就已经将这种曲率引擎作为太空船的标配发动机了。

曲率引擎飞船的工作原理,就是讲前方的时空拉到后方,要做到这点必须要使用的是一种可以扭曲时空的神秘物质。激活这种物质后,吸引力压缩飞船前方的时空,并将时空拖到飞船后方,并不是飞船本身超越了光速限制,而是时空本身在飞船周围移动;而且飞船启动的时候,看起来就像在一个泡泡中,而人在飞船里是不会受到任何引力的影响,也就是一点感觉都没有。


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在飞船的前方,曲率引擎启动的时候可以看到:所有的星星都被拉伸成了一条线,而在飞船的后面则什么都看不到,一片漆黑。根据引力作用的不同,飞船可以光速,超光速十倍甚至是几十倍的速度到达目的地。拥有这种引擎,到达几百光年以外的地方都成为了可能。带小灰人从Zeta星来到地球的,可能就是这么做的。

但问题是:当阿库别瑞去探明这种起曲速引擎所需要的神秘物质时,他发现这种物质的需要具有负压强和负能量,这样的物质与目前所知的任何物质属性都完全不同。所以物理学家把这种理论上存在的物质叫做奇异物质,它可能存在于中子星或者是黑洞的内部,因为这种星体的巨大引力会极度扭曲周围的空间,甚至科学家认为在宇宙中还存在于一种全部由奇异物质组成的夸克星。


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2013年北京质谱仪BES3与日本KEK的BELLE团队发现了Zc(3900)的夸克态,Zc(3900)如果确认成立,其意义将十分重大,因为它的存在将正式确立多夸克态物理的成立,这样就会诞生一种整门新的物理学。跨克星是极有可能存在,那么这种奇异物质的获取就成为了可能,曲速引擎将变成现实。

有人可能会问:为什么不自己合成奇异物质呢?实际上,在实验室里合成奇异物质要比合成反物质还要困难得多,而穷尽整个地球的资源也可能只能合成几个原子级别的奇异物质。通过计算,要建造一艘超越光速一倍的曲速飞船所需要的奇异物质总量,相当于整个太阳质量的三分之一,这根本就不是目前的人类所能做到的事情。星际迷航中企业号的服役时间是2151年,也就是100多年以后。很显然:20世纪60年代的编剧对于奇异物质的力量一无所知。


超光速的意识


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也许在未来我们可以换一种思路:我们发明超越光速的飞船也就是为了让自己能够快速到达某个地方,但是对于我们的身体和飞船本身来说:把任何质量大于光子的东西加速度达到光速都是不可能的,但是如果我们最终能够搞清楚意识是什么,或许我们就可以解决上述的问题了。


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实际上,我们到现在还没有搞清楚意识的本体,它究竟是一种能量、一种物质还是一种波?如果它是一种波,并且还可以以一种方式脱离物质而单独存在,那么把这种波加速到超越光速就是可能的。也许在未来等技术成熟以后,我们在家足不出户就可以遨游整个宇宙,甚至是回到过去或者未来。但是这一切都需要我们真正搞明白意识是怎么一回事,这样看来研究意识比研究超光速要简单得多。等到真正实现之后,这一切也就是四级文明以后的事情。



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