綜述
無法超越的光速是限制人類邁向星際時代的一大障礙,然而,宇宙中不止有光速限制, 另一種速度限制或許是人類前進的真正障礙。
人類的速度
一直以來,人類都渴望尋找到其他的宇宙文明,探索更多未知的星系。20世紀50年代,蘇聯升空了人類首顆人造衛星,人類正式開啟了對太空的探索。
1977年, 美國發射了「旅行者1號」和「旅行者2號」太空探測器 ,兩個探測器上都攜帶有「黃金唱片」,地球上各種生命的圖片和聲音,還有人類對外星文明的問候語都記載在了這張唱片上,隨著探測器飛向了遙遠未知的宇宙。
經過近半個世紀的飛行,兩艘探測器都收集了大量的圖片和數據,並且分別於2012年和2018年飛離了日球層頂,如今正朝著太陽系邊緣進發。
雖然兩艘探測器飛出的距離足夠遠,但依然沒有脫離整個太陽系的範圍。 兩艘探測器要想飛出直徑2光年的太陽系,還需要數萬年的時間。
數萬年前,人類才不過剛剛習得農業技術,數萬年後,人類文明是否存在還是個未知數。宇宙的尺度下,人類的科技所能企及的速度是那麽得蒼白無力。
近些年來, 人類找到了不少「超級地球」, 有的星球條件和地球類似,很適宜星際移民。然而,它們的距離又讓人類望洋興嘆。
比如距地球4.3光年的「比鄰星b」,它也是距地球最近的類地行星。目前,人類所能造出速度最快的探測器,當屬美國2018年發射升空的帕克探測器,速度可達109km/s, 但它飛抵比鄰星b至少要6000年之久。
更加殘酷的是,即便人類的科技水平再怎麽發達,造出的飛船速度再快,都無法突破光速,這不取決於人類自己,而取決於客觀的宇宙規律。
光速恒定不變
愛因史坦的相對論論證, 真空下,光速永遠是恒定不變的。 無論參考系,觀察者或是光源的位置如何改變,光速永遠都是一個絕對常數,都不會受到影響。
這一點非常反直覺,一般情況下, 我們觀察到物體速度會隨著參考系的變化而變化 。比如,站在月台觀察一輛列車的速度,和站在列車內是必然不同的,但這卻對光速並不適用。
其實早在1887年,就有兩位科學家莫立和麥可遜, 用嚴謹的實驗證明了光速的恒定。
二人使用分光鏡,把一束光分成了兩束光。 一束光順著地球公轉方向,另一束與之相反 ,最後透過折射回到測試屏。結果發現,順地球公轉方向的光和反向的光速度是相同的。 地球公轉速度是30km/s ,如果光會受參考系影響,那麽順公轉方向的光應該比反向的更快才對。
愛因史坦正是總結了前人的經驗和理論,推導論證出了廣義和狹義相對論,並創新性地把空間和重力與光速相聯系起來。 迄今為止,人類依然無法在理論上找出突破光速的可能性,星際航行更是遙遙無期。
可能有人會想,既然無法超越光速,那能否可以無限接近於光速呢?可惜的是,人類在幻想接近光速之前,還必須突破另一個限制, 那就是「GZK截斷」。
GZK截斷理論
「GZK截斷「全稱為「Greisen-Zatsepin-Kuz’min截斷」,1966年由美國的Kenneth Greisen和蘇聯的Georgiy Zatsepin,Vadim Kuz’min 三位科學家所得出的理論,故稱「GZK截斷」。 這一理論核心是: 宇宙射線會與宇宙背景微波放射線下的光子發生作用。
根據學界普遍認為的 「宇宙大霹靂」理論 。 138億年前,我們的宇宙還只是一個溫度極高,品質極高的奇異點。 突然某一刻,這個奇異點爆炸開來 ,能量驅使著所有物質散向四周,經過漫長的演變,形成了如今的宇宙。
如今,大霹靂遺留的光子仍在宇宙中傳播,並且隨著宇宙膨脹已變成了微波, 被稱為「微波背景放射線」。 無論在宇宙中任何一點,都可以觀測到微波背景放射線,並且觀測結果不會受位置影響。
宇宙射線和微波放射線發生反應的公式可以寫為: p+γ→Δ+→p+Π0,或者是: p+γ→Δ+→n+Π+。 質子p為宇宙射線的成份,γ為微波放射線光子,二者會交互作用,生成π介子,這其中質子會不斷損失自身的能量。
物質相對靜止或低速執行時,放射線光子不會和物質發生反應,可當物質速度接近某個臨界值時,就會和光子發生作用。
無論人類制造的飛船多麽堅固,只要超越了這個臨界速度,放射線光子就會和飛船發生作用,對飛船造成嚴重的損傷。 所以,在人類考慮如何接近光速之前,更應該考慮如何突破「GZK截斷」理論的限制。
結尾
盡管人類在 飛行和推進技術方面取得了很多進展,但 在相對論和GZK截斷理論下,科幻故事中的超光速飛船註定只能是人類的美好幻想。 難道人類文明真的要永遠被限制在小小的地球上嗎?
有科學家就提出,可以利用蟲洞技術扭曲時空,直接將遙不可及的兩個點相連線,人類在不依靠高速飛船便可瞬間抵達上萬光年外的星球。 當然,這只是存在於理論中的設想,實際情況如何還需要進一步的驗證和探索。