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除了光速外,宇宙还有一个速度限制,这可能才是人类真正的障碍

 timtxu 2024-03-23 发布于上海
森罗万象原创
森罗万象原创
2024-02-20 14:29优质科学领域创作者

综述

宇宙中有什么物质可以超越光速吗?答案是没有的。相对论里,详细论述了光速不变和不可超越的事实。宇宙中,不管在任何惯性参考系下,不管观察者和光源如何移动,光速始终是恒定的。

无法超越的光速是限制人类迈向星际时代的一大障碍,然而,宇宙中不止有光速限制,另一种速度限制或许是人类前进的真正障碍。

除了光速外,宇宙还有一个速度限制,这可能才是人类真正的障碍

人类的速度

一直以来,人类都渴望寻找到其他的宇宙文明,探索更多未知的星系。20世纪50年代,苏联升空了人类首颗人造卫星,人类正式开启了对太空的探索。

1977年,美国发射了“旅行者1号”和“旅行者2号”太空探测器,两个探测器上都携带有“黄金唱片”,地球上各种生命的图片和声音,还有人类对外星文明的问候语都记载在了这张唱片上,随着探测器飞向了遥远未知的宇宙。

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经过近半个世纪的飞行,两艘探测器都收集了大量的图片和数据,并且分别于2012年和2018年飞离了日球层顶,如今正朝着太阳系边缘进发。

虽然两艘探测器飞出的距离足够远,但依然没有脱离整个太阳系的范围。两艘探测器要想飞出直径2光年的太阳系,还需要数万年的时间。

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数万年前,人类才不过刚刚习得农业技术,数万年后,人类文明是否存在还是个未知数。宇宙的尺度下,人类的科技所能企及的速度是那么得苍白无力。

近些年来,人类找到了不少“超级地球”,有的星球条件和地球类似,很适宜星际移民。然而,它们的距离又让人类望洋兴叹。

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比如距地球4.3光年的“比邻星b”,它也是距地球最近的类地行星。目前,人类所能造出速度最快的探测器,当属美国2018年发射升空的帕克探测器,速度可达109km/s,但它飞抵比邻星b至少要6000年之久。

更加残酷的是,即便人类的科技水平再怎么发达,造出的飞船速度再快,都无法突破光速,这不取决于人类自己,而取决于客观的宇宙规律。

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光速恒定不变

爱因斯坦的相对论论证,真空下,光速永远是恒定不变的。无论参考系,观察者或是光源的位置如何改变,光速永远都是一个绝对常数,都不会受到影响。

这一点非常反直觉,一般情况下,我们观察到物体速度会随着参考系的变化而变化。比如,站在站台观察一辆列车的速度,和站在列车内是必然不同的,但这却对光速并不适用。

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其实早在1887年,就有两位科学家莫雷和迈克尔逊,用严谨的实验证明了光速的恒定。

二人使用分光镜,把一束光分成了两束光。一束光顺着地球公转方向,另一束与之相反,最后通过折射回到测试屏。结果发现,顺地球公转方向的光和反向的光速度是相同的。地球公转速度是30km/s,如果光会受参考系影响,那么顺公转方向的光应该比反向的更快才对。

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爱因斯坦正是总结了前人的经验和理论,推导论证出了广义和狭义相对论,并创新性地把空间和引力与光速相联系起来。迄今为止,人类依然无法在理论上找出突破光速的可能性,星际航行更是遥遥无期。

可能有人会想,既然无法超越光速,那能否可以无限接近于光速呢?可惜的是,人类在幻想接近光速之前,还必须突破另一个限制,那就是“GZK截断”。

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GZK截断理论

“GZK截断“全称为“Greisen-Zatsepin-Kuz’min截断”,1966年由美国的Kenneth Greisen和苏联的Georgiy Zatsepin,Vadim Kuz’min 三位科学家所得出的理论,故称“GZK截断”。这一理论核心是:宇宙射线会与宇宙背景微波辐射下的光子发生作用。

根据学界普遍认为的“宇宙大爆炸”理论138亿年前,我们的宇宙还只是一个温度极高,质量极高的奇点。突然某一刻,这个奇点爆炸开来,能量驱使着所有物质散向四周,经过漫长的演变,形成了如今的宇宙。

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如今,大爆炸遗留的光子仍在宇宙中传播,并且随着宇宙膨胀已变成了微波,被称为“微波背景辐射”。无论在宇宙中任何一点,都可以观测到微波背景辐射,并且观测结果不会受位置影响。

宇宙射线和微波辐射发生反应的公式可以写为:p+γ→Δ+→p+Π0,或者是: p+γ→Δ+→n+Π+。质子p为宇宙射线的成份,γ为微波辐射光子,二者会相互作用,生成π介子,这其中质子会不断损失自身的能量。

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物质相对静止或低速运行时,辐射光子不会和物质发生反应,可当物质速度接近某个临界值时,就会和光子发生作用。

无论人类制造的飞船多么坚固,只要超越了这个临界速度,辐射光子就会和飞船发生作用,对飞船造成严重的损伤。所以,在人类考虑如何接近光速之前,更应该考虑如何突破“GZK截断”理论的限制。

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结尾

尽管人类在飞行和推进技术方面取得了很多进展,但在相对论和GZK截断理论下,科幻故事中的超光速飞船注定只能是人类的美好幻想。难道人类文明真的要永远被限制在小小的地球上吗?

有科学家就提出,可以利用虫洞技术扭曲时空,直接将遥不可及的两个点相连接,人类在不依靠高速飞船便可瞬间抵达上万光年外的星球。当然,这只是存在于理论中的设想,实际情况如何还需要进一步的验证和探索。

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