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人類的速度能達到光速嗎?如果光速飛行能看到什麽?

2024-06-27科學

自古以來,人類就對速度抱有無盡的向往,尤其是對於光速——這個自然界中的極限速度。愛因斯坦小時候就曾想象,如果一個人能夠以光速旅行,他會看到一個怎樣的世界?這個問題不僅困擾著年輕的愛因斯坦,也是今天許多人心中的疑惑。

隨著科學的發展,我們知道有質素的物體無法達到光速,因為根據狹義相對論,速度越接近光速,物體所包含的能量就會趨近無窮大,而質素也會相應地增加至無窮大。在有限的宇宙能量中,將一個質素無窮大的物體加速到光速是一個不可能的任務。

然而,無法達到並不妨礙我們想象光速旅行的景象。根據【物理專題雜誌】上的一篇論文描述,如果一個人達到光速,他向前會看到所有的空間都匯聚在一個點上,這個點呈現出白色模糊的景象。

這是因為當速度接近光速時,空間會發生嚴重的尺縮效應,遙遠的距離在觀察者看來都會匯聚於一點。同時,所有可見的物體發出的光線都會因為藍移而波長變短,甚至移動到人眼無法察覺的X射線波段。而宇宙微波背景輻射則會藍移到可見光波段,觀察者將看到一處匯聚的白光。

如果我們能夠超越光速,又會見到怎樣的奇景呢?在這樣的速度下,空間的扭曲會更為劇烈,時間的概念也可能變得模糊。當我們回頭望去,由於紅移效應,所有的光線都會被移動到微波或無線電波段,這意味著我們將看不到任何來自過去時空的資訊。只有前方,光速帶來的是無盡的未知和可能。

宇宙微波背景輻射,這個宇宙大爆炸遺留下來的熱輻射,平常以微波的形式存在,對於光速旅行者來說,它會藍移至可見光波段,成為一道光芒。這道光芒匯聚於一點,像是整個宇宙的光芒都被壓縮成了一個光點,那是一種無法用語言描述的壯觀。

而時間,這個衡量萬物變化的尺度,在光速旅行中似乎也失去了意義。光速旅行者體驗到的時間與光子相同,他們感覺不到時間的流逝。從一個地點到達另一個地點,對他們而言只是一瞬間的事情。就像太陽光到達地球需要8分鐘,但對光子來說,這8分鐘是不存在的,它們在誕生的一瞬間就已經抵達了地球。對於138億年前宇宙大爆炸產生的光子來說,盡管在我們看來它們旅行了漫長的歲月,但對它們自身而言,大爆炸仍舊發生在不久前。

在現實的宇宙中,人類航天器的速度記錄與光速相比仍然顯得微不足道。阿波羅10號宇宙飛船曾創下載人略低於每小時40000公裏的速度記錄,而土星5號火箭則創造了無人每小時58000公裏的速度記錄。旅行者1號在木星和土星重力的幫助下,達到了每小時62000公裏的速度,而太陽神2號更是在繞太陽執行的過程中,速度提高到了每小時252000公裏,成為人造物體中的速度冠軍。

盡管這些速度記錄令人印象深刻,但它們與光速——每秒30萬公裏——相比仍然相去甚遠。即便是太陽神2號的速度,也不過是光速的0.07%。2018年發射的帕克太陽探測器預計能達到每小時725000公裏的速度,這個速度雖然會打破太陽神2號的記錄,但依然不足以實作星際旅行的夢想。

當前航天器速度的限制主要源於化學能推進技術。化學能雖然強大,但其提供的推力有限,且攜帶大量燃料會極大地增加航天器的重量,從而降低其速度。因此,盡管我們已經能夠利用火箭將探測器送往月球、火星甚至太陽系之外,但在光速面前,這些成就仍然顯得渺小。

為了超越現有的速度極限,人類必須探索更為先進的推進技術。離子推進器就是這樣一種前景光明的解決方案。它利用電子轟擊中性原子,使其失去電子變成帶正電的離子,然後利用磁場將這些離子推出去,形成推力。

雖然離子推進器的推力微小,但它的優點在於燃料攜帶量小且能長時間提供推力。目前,黎明號探測器等航天器已經在使用離子推進器,它們能夠達到每小時32萬公裏的速度,並且在太陽系的重力彈弓效應幫助下,速度甚至可以更高。

核動力飛船則是另一種極具潛力的推進方式。透過掌握可控核聚變技術,飛船可以利用核聚變產生的巨大能量作為動力。這種飛船預計能夠達到每小時2300萬公裏,即2.3%的光速。這樣的速度意味著,前往離我們最近的比鄰星的時間將縮短至128年,相較於化學能推進,這無疑是一個巨大的飛躍。

然而,這兩種方式仍有其局限性。即便是核動力飛船,以2.3%的光速前往比鄰星也需要超過一個世紀的時間。更不用說橫跨直徑達10萬光年的銀河系,即使是以光速旅行,也需要10萬年。這顯然遠遠超出了人類的壽命和耐心。因此,科學家們開始考慮更為激進的超光速旅行方式,如曲率引擎和量子隱形傳輸。

曲率引擎的原理是直接控制空間,透過讓飛船後部的空間膨脹來推動飛船前進,這種方式可以讓飛船的速度遠超光速。而量子隱形傳輸則是直接將人類的量子資訊瞬間傳遞到任何一個位置,不受距離限制。這兩種方式都極具科幻色彩,目前還只是停留在理論和想象階段,但它們為我們提供了對未來旅行方式的無限遐想。

人類對於速度的追求從未停歇,光速作為這一追求的終極目標,既是科學的邊界,也是人類想象的源泉。目前,我們對光速的理解是建立在相對論的堅實基礎上,這一理論告訴我們,有質素的物體無法達到光速,更不用說超越光速了。這個結論對人類的星際旅行夢想構成了巨大的挑戰,因為我們所處的宇宙是如此之大,即便是最近的恒星,也遠在我們以現有技術能夠到達的範圍之外。

科幻作品中常常描繪的超光速旅行和各種奇特的推進方式,雖然令人心馳神往,但在現實中仍遙不可及。從曲率引擎到量子隱形傳輸,這些概念雖然在理論上具有一定的魅力,但它們距離實際套用還有很長的路要走,甚至可能永遠無法實作。不過,正是這些超前的想象推動了科學的進步,讓我們不斷探索未知的領域。

盡管現實中的限制使我們無法達到光速,但我們仍然可以期待未來的科技發展。或許有一天,人類能夠找到新的方式,突破現有的物理法則,實作更為遙遠的星際旅行。在那之前,我們可以繼續享受科幻帶來的無限想象,同時也要腳踏實地,珍惜我們在地球上的每一段旅程。