光速飞船在飞行时如果碰到一粒沙子,会怎么样?

随着科学技术水平的不断提升,以及天文观测技术的飞速发展,我们能够看到宇宙的区域范围越来越大,那些来自几十上百亿光年之外恒星所发出的信息,都可以被我们的大型天文望远镜捕捉到。然而,相对于天文观测的空间尺度,我们通过发射航天器实地进行观测的范围实在是过于渺小,即使是50年前发射的旅行者1号和2号探测器,在完成对太阳系边缘行星的探测任务之后,也只能依靠残余的能源以及惯性,缓慢地向太阳系外围行进,但是相对于地球的运动速度来说,也仅仅是几十公里每秒,这与光速每秒30万公里相比实在是“龟速”,想要离开太阳系的有效引力范围,到少还得需要几万年的时间。所以,对于高速飞船特别是亚光速飞船的渴望,已经成为人类有效提升深空探测能力的重要目标。

光速飞船在飞行时如果碰到一粒沙子,会怎么样?

爱因斯坦在提出狭义相对论时,明确了两个基本假设,一个是相对性原理,即各种物理定律在所有惯性参照系中具有相同的表达形式;二是光速不变原理,光线在真空中的速度,不因参照系的变换而发生改变。在狭义相对论体系下,任何物质的运动,都会成为改变时间和空间的重要因素。对于两个物体的相对运动来说,在经典力学框架下的相对运动速度,是两个物体的速度矢量叠加;但是对超高速运动的物体来说,就必须要运用洛仑兹变换来进行推导,从而求出狭义相对论体系下的相对运动速度,表达式为:v=(v’+u)/(1+v’*u/c^2),通过这个表达式我们可以看出,两个物体的运动速度无论怎么快,其相对运动速度永远也不可能超过光速,只能无限接近光速,即使两条相向而行的光线,其相对速度也只能是光速值。

光速飞船在飞行时如果碰到一粒沙子,会怎么样?

在这里还需要明确一个由狭义相对论推导出来的结论,那就是物体的运动速度与运动质量之间的关系。如果一个物体的静止质量为m0,当以速度v进行运动时,其运动质量与静止质量的关系表达式为:m=m0/(v^2/c^2)^(1/2),说明物体的运动速度越快,则运动质量就越大,当运动速度达到光速时,其运动质量就会趋向于无穷大。由于光束中的光子静止质量为0,所以它的运动速度可以达到光速这个最大值。但凡物体拥有一点静止质量,那么它在加速到速度很高时,其运动质量就会显著提升,按照质能方程,则所需要输入的能量值为(m-m0)*c^2,如果要达到光速,则这个能量输入就会无穷大,显然是不可能实现的。因此,即使质量非常微小的中微子,科学家们监测到它的运动速度也略低于光速。

光速飞船在飞行时如果碰到一粒沙子,会怎么样?

按照上面的分析,我们可以得出这样的结论,那就是光速飞船或许永远制造不出来,因为飞船势必存在着静止质量,如果要将它加速到光速,就是把宇宙中所有的恒星能量都收集起来也不够用,所以人类对于航天器速度的突破,今后也只能是达到亚光速的级别。比如,如果将飞船的速度提升到光速的99%,则到达1光年之外的区域,从飞船本身来看所需要的时间为0.14年;如果将速度提升到光速的99.9%,则到达1光年区域所需要的时间仅为16天左右。

光速飞船在飞行时如果碰到一粒沙子,会怎么样?

那么,问题来了,即使在亚光速状态下,按照运动的相对性,飞船相对于宇宙中的星际尘埃来说运动速度是亚光速,反过来从飞船上看宇宙尘埃相对于飞船的速度也是亚光速,如果飞船在行进的过程中,撞到这样的星际尘埃或者一粒沙子,飞船到底会怎么样?

光速飞船在飞行时如果碰到一粒沙子,会怎么样?

大家都可能看到过,有的飞机在升降过程中会撞到小鸟,在平均几百米每秒的起降速度下,小鸟就能够将飞机的玻璃窗或者机体撞出明显的损伤。那么飞船在亚光速(以99%光速计)的状态下,一粒沙子(重量为1毫克)相对于飞船的运行速度也为99%光速,那么这粒沙子所拥有的静动能E0=1/2*m0*v^2=4.4*10^10焦耳,而相对论体系下的运动动能E’=1/2*m*v^2=1/2*m0*v^2/(1-(v/c)^2)^(1/2)=2.2*10^12焦耳,相当于约50万吨TNT爆炸所释放的能量,约等于几十颗“小男孩”原子弹同时爆炸产出的破坏力,试想飞船能抵挡得住 吗?即使飞船没有被沙子所摧毁,只是“贯穿”过去,那么对于飞船的稳定运行也将起到严重的影响。

光速飞船在飞行时如果碰到一粒沙子,会怎么样?

同时,在亚光速飞行的过程中,即使不遇到沙子或者星际尘埃,在高速行进的过程中,飞船的船体表面与稀薄的星际气体之间也会产生强烈的摩擦效应,有可能使船体表面的温度突破5000摄氏度,这个温度也已经超过了地球上所有材料的耐受极限,因此想达到亚光速飞行的目的,从目前来看,不但是燃料效应跟不上、发动机技术跟不上,就连建造材料也满足不了需求。

光速飞船在飞行时如果碰到一粒沙子,会怎么样?

除非今后科技水平发展到一定程度,可以研制出曲率飞船,这样的话就可以跳过直接驱动船体本身加速的阶段,而是借助于使船体周围空间产生一定程度的弯曲,从而推动飞船在弯曲的空间里自主地移动,这样不但可以解决为飞船本身进行能源供给的问题,而且飞船在与周围空间整体移动时,也避免了与星际尘埃碰撞损坏的威胁。但是,这种曲率飞船目前还只停留在猜想阶段,距离可靠理论的确立和实验的实施相差得何止十万八千里。

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