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我坐著一艘宇宙飛船不斷加速,一直到超光速,會看到什麽變化?

2020-11-07科學

近光速下運動,身前發生「藍移」,身後發生紅移,即都卜勒效應。

如果與光線的角度為 \alpha ,光原頻率為 f_{0} ,那麽有這樣的關系:

f=f_{0}\sqrt{\left( 1-\left( v/c \right)^{2} \right)}/\left( 1-vcos\alpha/c \right)

由此可知,速度 v 越大,角度 \alpha 越小,視野前方發生的藍移越明顯 [1]

那麽觀察者的視野會發生這樣的現象:

正前方收縮,正後方視野膨脹。左右的視野隨著角度的增大,逐漸增大。

假設,我們坐在飛行器上,觀察圖中的觀測點1(原本位於正左方)。

如果我們的速度遠低於光速,那麽我們觀察看到的觀測點1,在我們的正左方。

但如果我們達到0.5光速的時候,我們接收到來自於觀測點1光線時,我們已經運動到了更前方。這個時候,我們就會發現,觀測點1落後在了我們的左後方。

射來的光線,與視線成一定夾角的方向,那麽除了顏色和光強的變化,星體的方向也會發生變化。 [2]

所以,如果我們手上有一個攝影機,我們觀測到的星空,其實和趙泠提供的圖,還是有一定的區別。

我們眼前的畫面,隨著速度越快,會越來越像一個球體的內表面。

應該是類似於反向的魚眼鏡頭:

魚眼鏡頭像一個球體的外表面(而非內表面)。而我們看到的鏡頭,和魚眼鏡頭比起來,則是反過來,中間的物體縮小,兩邊的物體放大。

越往視野中間走,物體會逐漸縮小。

對於光譜均勻的的宇宙背景來說,在近光速下,我們會看到視野越往中間越紫,然後外圍依次是藍、青、綠、黃、橙、紅。 [3] (當然,這裏只是假設,宇宙背景的光譜並不均勻,而是各種各樣的,並非一成不變)

當然,對於正視野來說,原本就是紫色的光線,由於藍移現象,可能會讓這部份光成為紫外光,變成我們肉眼看不到的光線 [4] 。而對於後方視野來說,則因為紅移現象,一些可見紅光變成了紅外光 [5]

例如:

對於身後發白光的星體來說,只需要183km/s的遠離速度,便可讓他們出現清楚的彩色。達到1040km/s的遠離速度,則會呈現鮮艷的彩色。不過,這些彩色中依舊包含著許多白光。

當速度超過106000km/s的遠離速度之後,這些發白光的星體則會從肉眼中消失。

而對於黃光星球來說,只需要27800km/s的遠離速度,它們就會消失。紅光的星球,則只需要9400km/s的遠離速度,便會消失。 [6]

同時,前後方的紅外、紫外等光線,則會因為藍移和紅移現象,而成為可見。

隨著速度越來越接近光速,甚至,我們能逐漸看到原本看不見的無線電波。然後漸漸的,原來的能夠看見的可見光,逐漸全部變成紫外光,然後不可見。 [7]

可見光譜只是電磁波段中的極小一部份:

如果前方的視野是180度,當達到0.5c時,眼前的視野則會擴大到210°左右。

當速度達到0.9C的時候,原本的180度視野,可以擴大到260度視野。

達到0.99C時,視野角度擴大到300度。

達到0.999C光速時,視野角度擴大到330度。

隨著無線接近光速,視野角度也無線接近360度。

理論上來說,當達到光速的時候,宇宙飛船中的觀察者,獲得了360度的全視角。 [8]

前方的光線藍移到了極限,後方的光線紅移到了極限。

理論上,此時的視覺會是這樣的:

我們眼前能夠看到的光線,幾乎全部是原本頻率極低的無線電波。根據無線電波頻率的不同,我們依舊會看到紫光、藍光、青光等各種顏色。

而後方,看到的則是原本看不到的超高頻率的宇宙放射線。

視野裏的可見場景,已經完全和靜止時看到的徹底不同。

同時眼前的視野場景,會完全猶如球體的內表面一般。正前方的事物無限縮小,正後方的事物放大,均勻分布在視界的邊上。

有點類似於反面的全景鏡頭:

  • 和全景鏡頭不同的是,我們看到的場景,猶如球體的內表面,外圍放大,中間無限縮小。
  • 然而,達到光速,也就意味著時間的靜止。

    如果考慮到飛船自身的相對論效應,外部觀察者會發現,飛船船員完全靜止不動。而飛船船員自身,則會飛到宇宙時間的盡頭,看到整個宇宙生命的終結。 [9]

    如果我們「允許」超光速。

    觀察者身上正在發生的事件,則會超前於所看到的現象。

    這也是趙泠回答中,為什麽觀察者能「看」(實際是鏡頭看到)到自己死亡場景的根本原因。 [10]

    但這個情況只是考慮了向前「看」,並沒考慮向後「看」。

    如果在超光速的時候,向後「看」(紅移方向),看到的會是題主死而復生,時光回流的情況。 [11]

    即,如果觀察者從一出生開始,就在飛船上超光速運動,在死亡剎那運動停止,緊接著鏡頭中就會出現,觀察者從死到出生的整個過程。

    超光速時間逆轉(×)

    超光速看到過去(√)

    參考

    1. ^ 李世聰. 高速場景下都卜勒頻移和網路時延估計的仿真研究[D].
    2. ^ Hearnshaw J B. Vistas. Astro.,1992,35(2):157
    3. ^ 都卜勒:如果運動速度發生變化,顏色和光強也會變化。因此在一段時間內,一個星體總會依次出現光譜中的各種顏色。
    4. ^ 都卜勒:趨近的情況,速度增延長,光的顏色從白變到綠,由綠變藍,最終變為紫色。
    5. ^ 都卜勒:後退的情況,白光變黃,然後是橙色,最終變紅。
    6. ^ 劉戰存. 都卜勒和都卜勒效應的起源[J]. 物理, 2003, 32(07):488-491.
    7. ^ 都卜勒:速度達到足夠大的話,白光和彩色光將都變為完全不可見。
    8. ^ 相關數據,由都卜勒效應大致推算而出。
    9. ^ 慢鐘效應:此時的時間膨脹到宇宙壽命尺度。
    10. ^ 由於超光速本身不存在,這種假設情況下,正前方的視野接收到了未來的光線。
    11. ^ 超光速下,觀察者身上所發生事件產生的光,滯後於飛船。當飛船停下之後,後方視野就會接收到曾經發生事件射來的光線。只不過,時間順序正好相反。