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我坐着一艘宇宙飞船不断加速,一直到超光速,会看到什么变化?

2020-11-07科学

近光速下运动,身前发生「蓝移」,身后发生红移,即多普勒效应。

如果与光线的角度为 \alpha ,光原频率为 f_{0} ,那么有这样的关系:

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,视野前方发生的蓝移越明显 [1]

那么观察者的视野会发生这样的现象:

正前方收缩,正后方视野膨胀。左右的视野随着角度的增大,逐渐增大。

假设,我们坐在飞行器上,观察图中的观测点1(原本位于正左方)。

如果我们的速度远低于光速,那么我们观察看到的观测点1,在我们的正左方。

但如果我们达到0.5光速的时候,我们接收到来自于观测点1光线时,我们已经运动到了更前方。这个时候,我们就会发现,观测点1落后在了我们的左后方。

射来的光线,与视线成一定夹角的方向,那么除了颜色和光强的变化,星体的方向也会发生变化。 [2]

所以,如果我们手上有一个摄像机,我们观测到的星空,其实和赵泠提供的图,还是有一定的区别。

我们眼前的画面,随着速度越快,会越来越像一个球体的内表面。

应该是类似于反向的鱼眼镜头:

鱼眼镜头像一个球体的外表面(而非内表面)。而我们看到的镜头,和鱼眼镜头比起来,则是反过来,中间的物体缩小,两边的物体放大。

越往视野中间走,物体会逐渐缩小。

对于光谱均匀的的宇宙背景来说,在近光速下,我们会看到视野越往中间越紫,然后外围依次是蓝、青、绿、黄、橙、红。 [3] (当然,这里只是假设,宇宙背景的光谱并不均匀,而是各种各样的,并非一成不变)

当然,对于正视野来说,原本就是紫色的光线,由于蓝移现象,可能会让这部分光成为紫外光,变成我们肉眼看不到的光线 [4] 。而对于后方视野来说,则因为红移现象,一些可见红光变成了红外光 [5]

例如:

对于身后发白光的星体来说,只需要183km/s的远离速度,便可让他们出现清楚的彩色。达到1040km/s的远离速度,则会呈现鲜艳的彩色。不过,这些彩色中依旧包含着许多白光。

当速度超过106000km/s的远离速度之后,这些发白光的星体则会从肉眼中消失。

而对于黄光星球来说,只需要27800km/s的远离速度,它们就会消失。红光的星球,则只需要9400km/s的远离速度,便会消失。 [6]

同时,前后方的红外、紫外等光线,则会因为蓝移和红移现象,而成为可见。

随着速度越来越接近光速,甚至,我们能逐渐看到原本看不见的无线电波。然后渐渐的,原来的能够看见的可见光,逐渐全部变成紫外光,然后不可见。 [7]

可见光谱只是电磁波段中的极小一部分:

如果前方的视野是180度,当达到0.5c时,眼前的视野则会扩大到210°左右。

当速度达到0.9C的时候,原本的180度视野,可以扩大到260度视野。

达到0.99C时,视野角度扩大到300度。

达到0.999C光速时,视野角度扩大到330度。

随着无线接近光速,视野角度也无线接近360度。

理论上来说,当达到光速的时候,宇宙飞船中的观察者,获得了360度的全视角。 [8]

前方的光线蓝移到了极限,后方的光线红移到了极限。

理论上,此时的视觉会是这样的:

我们眼前能够看到的光线,几乎全部是原本频率极低的无线电波。根据无线电波频率的不同,我们依旧会看到紫光、蓝光、青光等各种颜色。

而后方,看到的则是原本看不到的超高频率的宇宙辐射。

视野里的可见场景,已经完全和静止时看到的彻底不同。

同时眼前的视野场景,会完全犹如球体的内表面一般。正前方的事物无限缩小,正后方的事物放大,均匀分布在视界的边上。

有点类似于反面的全景镜头:

  • 和全景镜头不同的是,我们看到的场景,犹如球体的内表面,外围放大,中间无限缩小。
  • 然而,达到光速,也就意味着时间的静止。

    如果考虑到飞船自身的相对论效应,外部观察者会发现,飞船船员完全静止不动。而飞船船员自身,则会飞到宇宙时间的尽头,看到整个宇宙生命的终结。 [9]

    如果我们「允许」超光速。

    观察者身上正在发生的事件,则会超前于所看到的现象。

    这也是赵泠回答中,为什么观察者能「看」(实际是镜头看到)到自己死亡场景的根本原因。 [10]

    但这个情况只是考虑了向前「看」,并没考虑向后「看」。

    如果在超光速的时候,向后「看」(红移方向),看到的会是题主死而复生,时光回流的情况。 [11]

    即,如果观察者从一出生开始,就在飞船上超光速运动,在死亡刹那运动停止,紧接着镜头中就会出现,观察者从死到出生的整个过程。

    超光速时间逆转(×)

    超光速看到过去(√)

    参考

    1. ^ 李世聪. 高速场景下多普勒频移和网络时延估计的仿真研究[D].
    2. ^ Hearnshaw J B. Vistas. Astro.,1992,35(2):157
    3. ^ 多普勒:如果运动速度发生变化,颜色和光强也会变化。因此在一段时间内,一个星体总会依次出现光谱中的各种颜色。
    4. ^ 多普勒:趋近的情况,速度增加时,光的颜色从白变到绿,由绿变蓝,最终变为紫色。
    5. ^ 多普勒:后退的情况,白光变黄,然后是橙色,最终变红。
    6. ^ 刘战存. 多普勒和多普勒效应的起源[J]. 物理, 2003, 32(07):488-491.
    7. ^ 多普勒:速度达到足够大的话,白光和彩色光将都变为完全不可见。
    8. ^ 相关数据,由多普勒效应大致推算而出。
    9. ^ 慢钟效应:此时的时间膨胀到宇宙寿命尺度。
    10. ^ 由于超光速本身不存在,这种假设情况下,正前方的视野接收到了未来的光线。
    11. ^ 超光速下,观察者身上所发生事件产生的光,滞后于飞船。当飞船停下之后,后方视野就会接收到曾经发生事件射来的光线。只不过,时间顺序正好相反。