在人類探索地球和宇宙時,速度是一個重要輔助。古代的人,正是因為缺乏高速的交通工具,沒有高速的優勢,對世界的了解非常有限。
當人類進入科技時代,在科技的幫助下,人類發明了先進的交通工具,人們對探索地球充滿了希望。由于速度的優勢,地球從原來的廣袤大地轉變為一個地球村,實現了古人的夢想。
去地球旅行,對現代人類來說根本不是什麼事情,隻要你願意,可以在很短的時間裡,去到地球的每個角落。而且人類走進了技術時代,目光已不再局限于小小的地球,而是放眼宇宙。
面對宇宙,地球渺小如塵埃,探索浩瀚宇宙已成為人類新的追求。而且要探索宇宙自然也需要速度這一優勢,我們在地球上自以為驕傲的速度,在宇宙面前連龜速都算不上。
物體在宇宙中航行,當然基本不會産生阻力,這是因為宇宙中的物質密度非常小,在465億光年半徑的可觀察宇宙中,存在着10^50噸之多的物質。但是轉換成密度,隻有9.9×10^-27千克/立方米,也就是說1立方米的空間裡隻有5.9個質子。那就是說空間幾乎是真空的。
宇宙中有一次穿梭于基本接近真空的狀态,物體運動時的阻力基本上為零,正是因為宇宙中阻力基本為零,地球才能繞太陽46億年之久。假如存在着明顯的阻力,那麼地球早就耗盡了能量并落入了太空。并且宇宙中的物體能夠始終保持穩定的運動狀态,與宇宙的基本真空環境有着密切的聯系。
根據牛頓定律,因為宇宙是真空狀态,所以隻要給予物體持續的加速度,從理論上講,它就能一直加速。所以有一些朋友産生了這樣的疑問:如果火箭能在宇宙中一直加速,能不能超過光速?
以前,根據牛頓第一定律,人們會自然而然地認為,火箭能在真空環境中一直加速,隻要保持不變,就能達到光速,超過它。
然而,随着狹義相對論的提出,對于速度的問題,有了一個初步的結論,即速度不能無限加速,它有一個極限,那就是光速。物體的質量速度隻能無限接近光速,更不可超越。為何物體的速度不能超過光速?
根據牛頓第二運動定律,隻要火箭有動力,加速度始終大于0,火箭就可以繼續加速。在這一點上,火箭會加速到超光速,這隻是時間問題。但是狹義相對論又指出,物體的運動與質量是成比例的,随着運動速度的增大,物體的質量也随之增大。
随着速度加速到無限接近光速,物體運動的質量也将無限增大,這意味着物體的動物也将無限增大,所需能量也将無限增大。在宇宙中,沒有無限的能量能使物體達到光速,更不用說超過光速了。因此,具有靜止質量的物體也不能達到連光速。
因此,相對論對物體不能達到光速的描述是正确的嗎?這一點已經被科學家們通過大量的實驗所證實,結果表明物體确實不能達到光速。這一驗證由科學家用粒子加速器進行,通過對電子的加速,得出實驗結果。
電子的質量隻有9.1×10^-28克,根據經典物理計算,使電子達到光速所需的能量隻有4×10^-14焦耳,這是一種很小的能量,很容易做到。但實際上,科學家們用目前世界上最強大的強子對撞機加速了電子,但無論怎樣努力,電子的速度都隻有99.999999%,與光速的距離無限接近。
從試驗中我們可以看出,實際上,物體的速度并不能達到光速,更别說超過光速了,因此,火箭在太空中無論怎樣加速,都不可能達到光速。看着這結果,相信很多朋友都會很沮喪,要知道浩瀚的宇宙大得讓人難以想象,光是人類可以觀察到的宇宙,就有930億光年。
假如物體的速度不能超過光速,那就意味着人類将永遠被困在一個有限的星空範圍内,不要說探索整個星空了,就是一個我們無法穿越的小星系。喪失了速度的優勢,人類又談什麼去探索宇宙,又如何實現自己的夢想?
難道速度不能超過光速?物體的速度确實連光速都無法達到,但在這個神秘的宇宙裡,卻存在着不少的超光速現象,最引人注目的就是宇宙的膨脹,其速度遠遠超過光速。
所以愛因斯坦又提出了偉大的廣義相對論,在這個理論中,速度是不受光速限制的,隻要條件允許,速度就能無限提高。所以在廣義相對論中的速度和在狹義相對論中的速度是對立的?實際上并不矛盾,狹義相對論的速度指的是物體運動的速度。
在廣義相對論中,速度指的是空間的扭曲程度,根據廣義相對論,我們的宇宙并非是堅硬、平坦的空間,我們可以把宇宙想象成一個柔軟的氣球,有質量的物體會擠壓宇宙空間,使兩點之間的距離不斷地縮小。
如果物體落入這樣的彎曲空間,那麼它就能從一個空間點迅速到達另一個空間點,從而實現超光速飛行。科學家将這一飛行模式稱為曲率航行,或稱為空間跳躍。這種方法可以實現超光速飛行,曲速飛船可以使前面的空間處于收縮狀态,而使後面的空間處于擴張狀态,這樣,曲速飛船就可以在這樣的曲速氣泡中以高速移動,甚至可以超光速。這一超光速并不違反狹義相對論,因為飛船本身的速度還沒有達到光速,而超光速是在飛船周圍的空間中進行的。
還有一種方法可以實現超光速溶解飛行,即穿過蟲洞。根據相對論,在扭曲到極限的宇宙中,形成了一個通道,通過這個通道,我們可以迅速地到達宇宙的另一端,這是未來人類有希望去探索宇宙的最主要方式。
關于蟲洞在現實生活中是否存在,目前還僅僅是一個理論上的猜測,還有待于科學家們的不斷探索。假如我們能發現宇宙中蟲洞的存在,那麼人類将來把宇宙改造成宇宙村的夢想也有可能實現。
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