太空幾乎是真空的,如果火箭一直加速,能否超光速?

2020-12-04 火星科普

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在半徑465億光年的可觀測宇宙中,存在著多達10^50噸的物質。但換算成密度,僅為9.9×10^-27千克/立方米,這意味著1立方米的空間中只有5.9個質子。也就是說,太空幾乎是真空狀態。

太空是空蕩蕩的,物體運動時所受阻力基本上為零。不然的話,地球不可能繞著太陽一直公轉46億年。要是有明顯的阻力,地球早就耗盡軌道能量,掉進太陽之中。

既然太空沒有阻力,如果讓火箭在太空中一直加速,它會超光速嗎?

火箭自帶氧化劑,燃料可以在無氧的太空中燃燒。燃料經過燃燒之後,會從火箭尾部噴射出高速氣流。根據牛頓第三運動定律,高速氣流會給火箭施加一個反作用力,讓火箭朝著反方向加速。

牛頓第二運動定律(F=ma)表明,只要火箭有動力,加速度一直大於0,火箭就能持續加速。照此來看,火箭加速到超光速只是時間的問題。那麼,為什麼又說光速不可超越呢?

原因在於牛頓力學只適合低速的情況,到了亞光速狀態,相對論效應將會讓牛頓力學失效。根據狹義相對論,物體在運動時,其質量會不斷增加,大於相對靜止時的質量。隨著運動質量的增加,會阻礙物體本身進一步加速。物體的運動質量與速度的關係如下:

由此可見,當速度加速至足夠接近光速時,運動質量將會增加到無窮,這意味著物體的動能也會變得無窮大,宇宙中沒有無窮的能量來讓物體速度達到光速。因此,不要說超光速,有靜質量的物體就連光速都不可能達到。

火箭在太空中可以一直加速,只是越到後來加速越困難。火箭不可能攜帶無限多的燃料,速度始終無法加速至光速。事實上,就算是非常輕的電子也都沒有辦法達到光速。

電子的質量估計為9.1×10^-28克,根據經典物理學來計算,把一個電子加速到光速所需的能量僅為4×10^-14焦耳。但現實是,電子根本無法加速至光速,就算是目前最為強大的大型強子對撞機也做不到。電子的速度只能達到光速的99.999999%,始終低於光速。

雖然狹義相對論限制了超光速的可能性,但廣義相對論提供了另一種方式的超光速。

根據廣義相對論,沒有物質和能量的時空是平坦的。如果在空間中引入一個物體,那麼,平坦的空間就會被壓彎。當其他物體經過彎曲空間時,會有掉進去的傾向。利用這樣的原理,可以實現超光速的曲速飛行。

通過奇特的負質量物質,曲速飛船可以讓前方的空間處於收縮的狀態,並讓後方的空間處於擴張的狀態,於是,曲速飛船就能在這樣的曲速泡中高速運動,甚至可以超光速。這種超光速並不違背狹義相對論,因為曲速飛船相對於局域背景時空沒有超光速。

除了曲速飛船,還有一種方法可以實現超光速飛行——蟲洞。就像任意門那樣,蟲洞可以讓兩個遙遠的地方連接起來,當宇宙飛船穿過蟲洞,就能從一個星系穿越到幾百萬光年甚至幾十億光年之外的另一個星系,從而實現某種意義上的超光速。

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  • 打破空間探索邊界:曲速引擎或將實現超光速
    當我們觀看《星球大戰》、《星際迷航》和《星際迷航》時,會看到宇宙飛船以接近光速或超光速的速度穿越太空,有時甚至可以穿越時間,這是怎麼做到的?由於能量需求呈指數級增長,僅僅將一個電子加速到光速,就需要比整個宇宙中存在的能量總和更多的能量。這就是為什麼光速被公認為「終極」或最大的速度限制。
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    「太空中的火箭有無限的燃料,不停的加速,最終能不能超過光速?」這是一個十分有趣的問題。關於這個問題,其實可以分兩個部分來講,第一部分就是火箭真的做得到無限燃料麼?第二部分就是即使是無限燃料,根據狹義相對論也無法達到光速。
  • 為什麼太空是真空的?
    太空幾乎是一個完美的真空,充滿了宇宙的空洞。簡而言之,地心引力是罪魁禍首。但是要真正理解我們宇宙的真空,我們必須花點時間來理解真空到底是什麼。那麼,什麼是真空,為什麼太空不是真正的真空呢?根據定義,真空是沒有物質的。太空幾乎是絕對的真空,不是因為引力,而是因為它幾乎是空的,這種空導致了極低的壓力。
  • 太空為什麼是真空的?
    太空是幾乎完美的真空,布滿了一個個宇宙空洞。簡單來說,這要怪引力。但要真的了解我們宇宙的真空,就需要花些時間來了解什麼是真空——以及什麼不是真空的。那麼,什麼是真空?為什麼太空不是完全真空的呢?美國自然歷史博物館天體物理學部門的高級科學家Jackie Faherty告訴Live Science說,首先不能把真空吸塵器比作太空的真空。
  • 太空為什麼是真空的?
    太空是幾乎完美的真空,布滿了一個個宇宙空洞。簡單來說,這要怪引力。
  • 超光速簡易方法一則 | 混亂博物館
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