1g的重力加速度持續加速,一年後就是光速,真的只是巧合嗎?

2020-12-05 騰訊網

看到有網友提出了一個問題，以1個g的加速度持續不斷的加速一年，剛好約等於光速！而且地球環繞太陽也是萬有引力的結果，似乎光速和引力之間存在某種特殊的聯繫，是不是發現了引力的秘密就能超越光速了？

1g加速度持續加速一年真的是光速嗎？

加速度是一個物理概念，它描述的是體速度變化快慢的物理量，通常用a表示，單位則是m/s 表示，1g的加速度也就是9.8m/s ，其實用萬有引力公式也可以將其推導出來，也就是地球的重力加速度！

加速一年又是多少時間呢？天文學意義上計算光年用的那個年指的是儒略年，它的時間長度是365.25天，每天86400秒，一個儒略年就是31,557,600秒，那麼按9.8米/s 計算，一年後速度大約是309,264.48千米/秒，也就是差不多30萬千米/秒！

確實有些超出種花家的預料，原本以為差距應該很大，結果居然相差那麼小，如果當年傅科光速測出來是這個數字，估計也不會有人說大誤差太大，畢竟相差真的只有3%，按當年的計時工具和測量技術來看，真心不錯了！

那麼光速真的和引力有關係嗎？

牛頓在1687年出版的《自然科學的哲學原理》中首次發表萬有引力定律，兩個天體之間的引力它們的質量成正比，與之間距離的平方成反比，萬有引力解釋了天體的運動和地球上物體的自由落體運動，根據萬有引力公式和牛頓第二運動定律，那麼可以推導出重力加速度為：

從萬有引力公式推導重力加速度

重力加速度與物體的質量無關，所以在沒有阻力的情況下羽毛的下落速度和鐵球的落下速度是一樣的，它的存在剝奪了人類飛向宇宙的夢想！但牛頓設想和一種非常有趣的脫離地球引力的方式，因為地球是一個球體，沿著地球表面高速運動其實就在走圓周運動！

那麼只要速度夠快，圓周運動將會產生足夠的「離心力」而讓物體對抗重力，它將環繞地球運動而不至於落下！那麼為什麼地球的9.8米/秒的重力加速度加速一年就是光速呢？為何會如此接近？

重力加速度和光速有關係嗎？

其實兩者沒有半毛錢關係，從上圖公式中我們可以發現，重力加速度只和天體的質量與距離有關，只要距離再遠一點，重力加速度就會小於9.8米/秒，甚至更小，但永遠都不會變成零！不過這個重力加速度即使在地球上也會受到各種影響而出現變化！

萬有引力會影響時空，那麼它能讓光速變慢嗎？

這個問題牛頓力學無法回答，因為萬有引力只對有質量的物體產生影響，如果該「物體」沒有質量，那麼牛頓力學就認為萬有引力無法影響該物體！相信很多朋友都不滿意了，畢竟質能方程告訴我們，有能量的物體就有質量，所以光具有能量，因此它也是有質量的「物體」，所以它會受到萬有引力的影響！

當然這理解一點都沒錯，但質能方程已經是狹義相對論裡推導出來的產物了，如果用能量=質量的方式來理解光在萬有引力中的運動特性，那麼也是成立的，萬有引力能讓光的路線發生改變，但它計算值和實際觀測值有很大的差異！

因為要理解質量和時空的影響，萬有引力是遠遠不夠的，廣義相對論才會比較透徹，質量對質量的不是吸引力，而是質量在彎曲時空後中的運動方式，在這個彎曲的時空中，我們所有能理解的方式，都會受到彎曲時空的影響，包括我們觀測到的暗物質，甚至在廣義相對論之後100多年才發現的暗能量！

只是暗能量的特性剛好和所謂的引力是反向的，引力會導致物體之間相互吸引，而暗能量則會將兩者相互推離，儘管這樣理解比較簡單，但真正的原因是暗能量讓空間膨脹，但科學家們只是觀測到了現象，卻還不知道事實背後的本質到底是什麼引起。

既然引力影響了光，那麼它能讓光速變慢嗎？

這是一個非常有趣的話題，惠勒總結的廣相：質量告訴時空該如何彎曲，時空告訴質量該如何運動，很簡潔的描述了質量在時空中的運動，而1919年的日食也驗證了光在經過太陽周圍時的彎曲！但他們都沒有解決一個問題，光會在引力場中減速嗎？因為我們知道引力能讓物體停留在地球表面，只要引力夠強，光也能這樣嗎？

1919年日是觀測結果

似乎1916年時史瓦西就已經找到答案了，因為他從廣義相對論中推導出了個絕對暗黑的天體：黑洞，它的成名絕技是即使是光也無法從黑洞的視界內逃逸，而在從遠離黑洞到逐漸接近黑洞的過程中，光會產生紅移，到極度紅移，到紅移到可見光波段外，最後連電磁波都被視界吞沒。所以從理論上來看，它能將光速降低到零！當然這從萬有引力的角度理解似乎沒有錯！但很明顯這和光速不變的理論是相悖的！

如何理解視界內的光速呢？儘管我們無法知道視界內到底是個什麼空間，但卻可以推測一下，它應該是一個在所有方向都通向奇點的空間，光子進了視界後並沒有降低速度，只是無論怎麼走都只能走向奇點，這是一個比任何中國古代陣法都要厲害得多的封閉彎曲空間，只進不出！

所以，光速和重力加速度還是沒有半毛錢關係！另外還有一個結論就是光速其實是無法超越的，也就是說如果用這種加速的方式，我們永遠都沒有機會達到光速！

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  • 銀河系直徑10萬光年，人類就算造出光速飛船也飛不出去嗎？
    光的速度為每秒30萬公裡，一光年為光行走一年所需要的距離，按照這樣換算下來，一光年大約等於9460億公裡。因此，銀河系的10萬光年直徑對我們來說是如此的巨大。網上有人就說，就算人類能達到光速的1000倍，飛出銀河系所需的時間也還是遠遠超過人類的壽命。因此，他們得出一個結論，人類被銀河系困住了。請注意，我上面使用的是地球上的觀察者。
  • 銀河系直徑10萬光年,人類就算造出光速飛船也飛不出去嗎?
    光的速度為每秒30萬公裡，一光年為光行走一年所需要的距離，按照這樣換算下來，一光年大約等於9460億公裡。因此，銀河系的10萬光年直徑對我們來說是如此的巨大。如果以地球上的觀察者來說，光從銀河系中心到達邊緣需要5萬年的時間，這遠遠大於人類的壽命。因為光是宇宙中最快的速度，所以人類永遠也無法飛出銀河系。
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    持續給一個物體加速度，也就是說持續給一個物體力，最終速度會超過光速嗎？不會！愛因斯坦的相對論表明，速度越快，質量就越大。當然，在我們的低速世界，這種質量的變化非常有限，可以忽略不計。給物體持續的力到了一定的臨界點就不會給物體增加速度了，這個力只能讓物體增加的質量來加速！因為速度越快，增加的質量就越多，需要有力為這部分增加的質量「負責」！其實從我們地球的引力對外界物體的作用就能直觀地體驗到這種規律！
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  • 1G加速航行的宇宙飛船,24年能飛出多遠?答案:770億光年
    而這樣一來問題也就出現了，如果乘坐一架採用核能或反物質作為引擎的飛船遨遊星海，讓人體感覺最舒服的加速度是多少呢？答案是：1g（一秒加速度9.8米）。 雖然人體最高能夠承受10g的加速度，但這僅僅是瞬間的承載能力，並且還得是經過專門訓練的專業人員。對於生活在地球上的普通人來說，無論是從心理還是生理上看，1g加速度都是最舒適的。
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    只是一種近似的巧合罷了圓周率π作為一個無限不循環小數，它的平方約為9.87；而地球重力加速度實際上並不是一個常數，但我們一般都取其為9.8，因此從數值上來看，圓周率π的平方確實和重力加速度比較接近。但也僅此而已。
  • 重力加速度g是什麼?竟然和圓周率π有關!
    通過萬有引力公式，人們計算出了地球的重力加速度g。那麼重力加速度g到底是什麼意思呢？他表示地球對地球表面的每一個物體的吸引力，但它並不是一個常數。在高山上由於我們離地球比較遠，所以我們的g值會相對小一些。不同的緯度，g值也不一樣，由於地球是橢圓形的，在赤道上重力加速度g是最小的。
  • 帶著重力上太空
    文/趙洋眾所周知，儘管航天員可以把空氣、食物、水和書籍等物帶到太空中去，儘可能地模擬舒適的地球環境，但有一樣東西是無法被帶入太空的，那就是重力。人一出生就在地表感受到9.8m/s2,即1g的重力加速度，並深受其影響。人的骨骼、肌肉、空間感覺系統都是為適應這種重力環境的。
  • 如果重力不是一種力，它如何使物體加速？
    如果沒有力，該如何解釋重力產生的加速度?物體只有在受到力的作用時才會加速;否則它們應該保持恆定的速度。我在網上找到的一些解釋是關於等價性的，以及一個人站在地球上的體驗與一個人在火箭中被加速在太空中的重力相同的思想實驗。我明白為什麼這些條件是一樣的，但我看不出這如何解釋一個磚塊從一棟建築物上以9.8米/s2的速度下落。同樣，在那個思想實驗中，一個力被施加(火箭的推力)。
  • 一艘宇宙飛船，如果可以維持恆定加速度，最終能超過光速嗎？
    很多人都知道真空光速是物體運動速度的上限，沒有物體可以比光更快，然而這樣的結論也使得很多人對此產生懷疑，如果有一艘高科技飛船在宇宙中航行，它可以通過一些非常先進的手段，使得自身以一個恆定的加速度飛行，那麼最終是否能超過光速呢？
  • 這重力加速度感受下
    該模式開啟之後，特斯拉Model S從0-100公裡的每小時加速僅需2.8秒，與此同時其所帶來的重力加速度也將相當可觀。5月1日消息，特斯拉通過其官方微博放出一則視頻，秀了一把「狂暴模式」酷炫操作。視頻內容顯示，副駕駛座位上的出鏡者向上垂直拋出一粒豆狀零食，與此駕駛座上的司機在「狂魔模式」下發動車子，接著豆子憑藉「狂暴模式」開啟時產生的1g重力加速度落入後排出鏡者的口中。特斯拉調侃稱「這是往後排遞送小零食的最佳方式」。憑藉電動機天賦的扭矩優勢，此前特斯拉Model S P100D 在「狂暴模式」下的百公裡加速性能能夠達到2.7秒。
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    重力不會對光產生影響，光在時空中沿直線運動。然而，質能將那些沿直線運動的光變成曲線路徑。這裡有一個著名的例子：光沿網格線傳播；正如大家所知，當接近質量時這些線路不再是直的而是被彎曲了。這是光受到引力作用而彎曲但這不是光受到重力的影響，而是空間本身被質能彎曲了：這就是引力（這幅圖實際上很好地反映了發生在GR中的事情）。