宇宙沒有空氣阻力,飛船為何不能無限加速,甚至1%光速都達不到?

2020-12-06 六分鐘科普君

目前地球上速度最快的飛機是美國的X-43A型超高速飛機,這款超高速飛機的速度達到10馬赫,也就是10倍音速,1倍音速相當於1225公裡每小時,10倍音速就相當於1.2萬公裡每小時,這是一個什麼概念?駕駛這款飛機圍地球一圈僅僅需要4個小時而已,飛越太平洋也僅需1個半小時,當然這是在地球上的速度,在地球上由於受到空氣阻力,導致很多飛行器的最高速度大打折扣。

美國X-43A型超高速飛機

如果把這款飛機換上液態氫燃料,那麼它在太空中的飛行速度將會達到幾倍甚至幾十倍,最典型的例子就是旅行者1號,由於在太空中沒有空氣阻力,它的速度達到6萬公裡每小時,這因為宇宙是「真空狀態」,不像地球上存在那麼多雜質,包括水分子、物質顆粒、大量的原子和分子等,這些物質會對高速飛行的飛行器產生巨大阻力,因此讓飛行器喪失了一部分速度。而宇宙就不一樣,宇宙沒有那麼多雜質,阻力就大大減低,只要稍微給一點加速的力,飛行器就可以飛得很快,這就是為什麼旅行者1號的飛行速度能夠達到6萬公裡每小時。

旅行者1號

當然目前世界上速度最快的飛行器不是旅行者1號,而是美國最新製造的「帕克」太陽探測器,這顆探測器的平均速度達到68公裡每秒,最高速度達到196公裡每秒,換做時速就是70萬公裡每小時,是旅行者1號的十幾倍,儘管「帕克」太陽探測器已經飛得很快,但是它與人類理想速度還有很大差距,人類的目標是希望能夠達到光速,光速每秒為30萬公裡,時速為10.8億公裡,也就是說人類最快飛行器「帕克」太陽探測器的最高飛行速度還不及光速的1500分之一,由此可見相對於光速來說,人類最快的速度很慢,說到這裡有人會感到疑惑,宇宙不是真空區域嗎?「帕克」太陽探測器沒有受到空氣阻力的情況下,為什麼都不能進行無限加速從而達到光速呢,甚至連光速的1%都達不到?

「帕克」太陽探測器

其實在我們的傳統觀點中,以為宇宙是真空區域就天真的認為宇宙空間是真正沒有物質的空間,其實這是錯誤的,宇宙並非完全真空的區域,而是摻雜有少量氫原子的空間區域,即使這些物質很少,但是由於宇宙沒有引力作用和空氣阻力,因此這些氫原子提供的加力足夠飛行器前進了,所以宇宙飛船能夠在所謂的宇宙「真空」中飛行,而如果宇宙真的是沒有任何物質的名副其實的真空區域,宇宙飛船根本沒有反重力可以用,因此也就飛不動,只能在宇宙中隨波逐流,所以說我們的宇宙並非是完全的真空,而是擁有小部分氫原子的準真空空間,雖然這種物質存在的比例很小,可能只有地球物質比例的萬分之一或十萬分之一,即使這樣只要有物質存在,就可以為飛船提供反作用力,從而能夠飛行,那麼宇宙飛船為什麼不能進行無限加速呢?一個物體能夠進行無法加速必須具備兩個條件:1、反作用力足夠大;2:擁有足夠的燃料。

宇宙並非真空

第一個條件宇宙明顯不符合,宇宙中存在的物質只能夠為飛行器提供一定範圍內的反作用力,根本不可能為它提供達到光速的反作用力,即使在地球那種物質稠密的地方都沒有這麼巨大的反作用力,就好比汽車的發動機不可能提供像飛機那樣的動力一樣!所以第一個條件就不符合了。

光速非常快

第二個條件就是必須擁有足夠燃料,人類探測器一般都攜帶不多的燃料,因為探測器的體積有限,無法裝載更多的燃料,而且裝載太多燃料會導致飛行器飛行緩慢,因為宇宙無法提供足夠推力讓飛行器前進,飛行器攜帶那麼少的燃料,那它是怎麼飛行幾百億公裡遠呢?主要使用行星的引力彈弓效應,就是藉助行星引力轉動「拖住」探測器飛行,這樣可以大大節省燃料,很多探測器都是使用這種外力飛了幾十億、幾百億公裡的,所以依靠探測器攜帶的那點燃料也根本無法讓它加速到光速,甚至連光速的1%都加速不到。

相關焦點

  • 宇宙是真空,為何飛船不能無限加速,甚至連光速的20%都達不到?
    距離——限制人類宇宙發展的枷鎖! 對於人類來說,宇宙是神秘且吸引人的。一直以來,人類都在不斷研究著宇宙,一張張照片,一組組數據,以及每一次嘗試,都展示了人類對宇宙的寄託和希望。
  • 如果飛船能不停加速,為何不能達到光速?相對論效應你用對了嗎?
    如果飛船能一直加速,為何不能達到光速?這個問題在牛頓的時代其實是可以的,飛船如果能一直加速,就能達到甚至超過光速。不過牛頓的時代已成過去式,現在是愛因斯坦的時代了,在愛因斯坦的時代裡,不停加速就是另一個故事了。理論的前奏事情要從19世紀說起。
  • 當你的飛船無限接近光速,或許將一眼望盡宇宙演化的盡頭?
    如果一人駕駛接近光速的飛船飛行一分鐘後回到地球,還能再見到家人嗎?答案是不能,接近並非是一個定值,沒有說明有多接近,代表著無限接近,無限接近會造成時間無窮的膨脹,膨脹到親人逝去,地球毀滅,甚至是宇宙毀滅。很多人有疑問不就是一分鐘,60秒嗎?這個問題的關鍵在於光速,當一個人相對於你無限接近光速,也就意味著從你的世界來看,他追逐著你的世界的時間,直至時間靜止。為何會如此?
  • 乘坐光速飛船,在宇宙中旅行一年,地球上過去了多長時間?
    通常情況下,我們說的光速是指光波或者電磁波的傳播速度,在真空中的光速就是目前我們發現的物體運動最快速度,光速和任何速度相加,只能得到光速,光速的增加不遵從牛頓的經典力學,這就是為什麼經常有人說愛因斯坦顛覆了牛頓的經典力學宇宙,畢竟愛因斯坦的相對論在很多方面都指出了牛頓經典力學的錯誤。在網上有著這樣一個問題,一個人乘坐光速飛船,在宇宙中飛行一年後,地球上過了多久?
  • 達到光速的10億倍後,飛船能飛到宇宙邊緣嗎?
    宇宙的有限無邊有兩層意思,一層就是不知道有多大;第二層就是宇宙是在一個無限曲率的蛋殼裡,人類無法突破這個蛋殼,光線也不行;第三層意思是光速藩籬決定任何有靜止質量的物體都無法達到光速。你不考慮這一層就沒有討論的意義。
  • 光速到底是不是速度的極限?我們有可能超過光速嗎?答案讓人意外
    我們可以超越光速嗎?速度唯一限制速度的因素是遇到比你慢的東西阻礙你,或者阻力比提供加速度的力大。一旦你離開我們的隊列,就沒有什麼可以阻礙你的加速。人為的、只要推力大於阻力,就會有加速度。超越光速僅僅需要較小的阻力:比如氫氣雲、塵埃和一兩顆會終止高速加速的奇怪行星。當然,有終極限速的想法似乎是荒謬的。雖然以地球的標準來看,光速是非常高的,但光速的大小並不是關鍵;自然界中任何一種速度限制都沒有意義。例如,假設一艘宇宙飛船幾乎以光速飛行。
  • 假設飛船以10億倍光速朝著一個方向飛行,能到達宇宙邊界嗎?
    一,首先,10億倍光速的飛船是不會存在的,你不考慮「光速不可超越」的前提是不行的。 假設不可能的事是毫無意義的,不能為了博眼球就胡說八道。我相信大家也看了好多關於光速不可超越的論證了。就目前的認識和技術水平,光速的確是不可超越的。
  • 宇宙最快星系,遠離速度達2.3倍光速,為什麼它沒有違背相對論?
    根據相對論,物體的速度並不是無限提升,而是有一個限制,那就是光速。不管物體的速度有多快,它最多只能無限接近光速,在很多人看來,超光速現象是不存在的,那事實真的如此嗎?當然不是。事實上,在浩瀚的宇宙中就存在超光速現象,比如宇宙的膨脹,要知道宇宙大爆炸到現在是138億年,而目前人類可觀測宇宙範圍達930億光年。
  • 宇宙飛船以光速飛行了1000光年,飛船內的人會是什麼感覺?
    宇宙浩瀚無比,有著無數的奧秘等著人類去揭開,而在宇宙中的距離是以光年來計算的,人類真正探索宇宙最大的制約就是速度,沒有速度我們就走不出太陽系,走不出銀河系。以我們現在的速度想要飛出太陽系,恐怕也需要幾萬年的時間才行,更不要說飛出銀河系了。
  • 光速飛船上的人真的可以長生不老嗎?角度不同,答案不同
    也指引著人類探索宇宙的方向,通過相對論,我們知道了有質量的物體,它的速度只能無限接近光速。相對論同時也限制了物體的速度極限,那就是光速,科學家曾經在實驗室做過大量的粒子加速實驗,不管如何努力,粒子的速度只能無限接近光速,而無法真正實現光速,在宇宙中或許只有光子才能夠以光速飛行。
  • 真空宇宙中的光——無法突破的速度
    宇宙是真空的,為什麼太空飛船不能無限加速,甚至連光速的20%都無法達到。在近一個世紀對宇宙的觀察和研究中,一系列的數據、照片以及反覆實驗向人類展示了宇宙的廣闊無垠。畢竟光速是非常快的,如果人類想要衝出牢籠,它是一個非常關鍵的因素。遺憾的是經過長時間的研究,愛因斯坦提出了相對論,它明確的指出了物體達到光速的不可能性和可行性。然而,就算愛因斯坦在相對論鍾解釋了物體無法到達光速的原因,但是許多人心中仍然有一個疑問:既然宇宙是真空的,為什麼不能讓太空飛船在這個沒有空氣摩擦的環境下無限加速呢?
  • 光速不變理論是如何被推導出來的?愛因斯坦說的都是對的嗎
    近一個世紀以來,自從「光速不變」理論提出,很多人都通過設想各種實驗,來試圖證明「超光速」的存在,比方說當我們在一個光速飛行的飛船上,朝前方扔出去一個石頭,那麼這個石頭是不是「超光速」,再比方宇宙中設立一個直徑在1光年的物體,當另一端發生動蕩,另一端便「超光速」。為什麼大家都想證明「超光速」的存在呢?
  • 都說宇宙以光速膨脹,那麼在我們宇宙外無限大的地方都是空的嗎?
    按照目前的理論和實際觀測,宇宙空間的確在加速膨脹。只要它們距離沒有超過133億光年,相互退行的速度就小於光速,但同樣是它們,相對於與它們距離超過133億光年的其他星系的退行速度卻是大於光速的,所以這種超光速是一種全空間膨脹的積累。由此可見,這種退行速度規律是整個宇宙每一點都在膨脹的表現證明。宇宙整體在膨脹,膨脹是宇宙的特徵。這就像吹氣球,氣球上的任意兩點距離隨著氣球膨脹而增大。起初相距遠的,膨脹後相距更遠。
  • 在光速飛船中還能夠與地面觀測者通無線電話嗎?
    光速是我們這個世界迄今認識到的最高速度,沒有比光速更高的速度了,在真空中傳播的速度為每秒約30萬公裡。你與某人的通話距離當然就很重要了,比如你如果是在月球與某人通話,月球距離地球平均約38.4萬公裡,是光速1秒多點的距離,因此你與他通話就有1秒多鐘的延滯,你在地球說一句話,你月球那位「某人」要1秒鐘後才能夠聽到。
  • 到達宇宙邊緣要多大速度,超光速是否可行,未來有這個可能嗎?
    真有超光速飛船,我們認知的世界就不復存在。所以,世界都不存在了,還有必要去發現宇宙的邊緣嗎?有靜質量的物體不得超過光速,是狹義相對論在100年前就提出的論斷,這個論斷經歷了100多年檢驗,得到無數證據證明其顛撲不破,沒有一例反證可以推翻它。
  • 當宇宙飛船返回地球時,為何要不惜燃燒的代價來高速穿過大氣層?
    當宇宙飛船返回地球時,總是以極高的速度穿過大氣層,像流星一樣划過天際,直到快要接近地面的時候,才打開減速傘慢慢地降落。不得不說,雖然這種返回地球的方式很帥,但是卻存在著很大的風險,事實上也是如此,例如在2003年2月1日,「哥倫比亞」號太空梭就在以這種方式返回地球時因為高溫而解體。這不禁讓人疑惑,當宇宙飛船返回地球時,為何要不惜燃燒的代價來高速穿過大氣層?
  • 假如飛船速度是百分之99.99光速,去100光年外的星球,幾年能到?
    楊春華統一場論使牛頓力學適應了光速,適用於微觀世界,適用於宇宙深空。楊春華先生使得牛頓力學成為萬能的物理理論。難道牛頓力學沒有數學支撐嗎?牛頓先生專門為牛頓力學發明了微積分。有人說飛船時間變慢了。我不認為。首先確定什麼是光年?對,就是光走一年的距離就叫光年。去100光年的地方,光當然要走100年才能到。
  • 光速是宇宙中最快的速度嗎?有四種速度比光速還要快
    當然,我們觀測不到黑洞內部的情況,可是卻可以觀測到黑洞周圍一些粒子的運行速度。通過觀測,科學家同樣在黑洞周圍發現了超光速的粒子。第三種、宇宙膨脹速度,138億年前宇宙大爆炸發生之後,誕生的宇宙並沒有停止擴張速度,而是以一個非常快的速度不斷向外膨脹。根據觀測宇宙中的各種現象,科學家認為宇宙膨脹的速度超越了光速。
  • 光速是宇宙中最快的速度嗎?其實它早已被打破,超光速早就出現了
    如果人類現在還無法走出地球,那我們對宇宙的認知也不會有太多,最多比古人了解得多一些。由此可見,人類文明想要不斷升級,一步步成為宇宙的高級文明,就離不開速度的不斷提升。那麼速度能夠無限提升下去嗎?在愛因斯坦相對論沒有出現之前,人們都認為,速度是沒有極限的,它可以無限提升。可是當愛因斯擔相對論出現之後,給人們澆了一盆冷水。