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回顧:光速飛船啟大燈,宇宙中最不可思議的光影奇觀與潛在影響

2024-07-11科學

如果我們假設一艘飛船能夠以光速飛行,那麽開啟飛船大燈會怎樣呢?

光速飛船僅存在於設想之中,幾乎不可能被制造出來。

宇宙飛船設想圖

假設有這樣一艘正在飛行中的光速飛船,若此刻開啟飛船大燈,將會發生什麽情況呢?

針對這個問題,讓我們從不同的觀察角度來進行討論。

內部觀察視角

在愛因史坦的廣義相對論中,有一個關於光速不變原理的概念。

簡單來說,就是指在真空中傳播的光,對於所有觀察者來說,其速度都是恒定不變的。

狹義相對論的一個基礎正是這一光速不變原理,愛因史坦透過專門求解馬克士威方程式組並驗證自己的猜想來研究相關問題。

光的傳播

當然,這個推導過程相當復雜且冗長,超出了今天討論的範圍。

利用光速不變的概念,我們可以得出結論:在駕駛光速飛船時,若開啟前方大燈,光速將保持穩定。

假若此時飛船與光速達到了動態平衡,你依然毫無察覺。

首先,在寒冷而漆黑的宇宙中,很少有光線能反射到人類眼中,因此人類無法直接感知到光速飛船大燈的變化。

其次,人眼的視力極限值非常低。在足夠大的平面上觀察另一個人,其視力極限範圍也僅為10公裏至20公裏。

人類的視線範圍

以最常見的生活情景為例,航行在海面上的船只不久後便會從人們的視線中消失。

人們曾經認為,這是因為地球是圓形的,所以船只會逐漸「消失」。

事實上,只不過是因為大家的眼睛看不到而已。同樣的道理,光在1秒鐘內可以傳播到30公裏以外的地方,即使反射到人類的眼睛,也難以在第一時間被察覺。

然而,在宇宙飛船上安裝大燈完全是多余的行為。

倘若真的能夠發明出宇宙飛船,人類或許早已擁有更先進的照明技術,誰還會采用這種如此落後的照明方式呢?

這就好比一個原始人發現雷電可以生火,立刻表示自己將來一定會利用雷電的力量來點燃柴火。

鉆木取火所需的原材料

此外,發射出去的光線會被飛船反射,從而使其原有的效果失效。

這讓人感到非常無奈

另一方面,人類的生理功能如果沒有得到相應發展,光速尺度與超光速尺度之間便沒有區別。

對於一個原始人來說,無論手機多麽昂貴,在他看來都只是塊「石頭」。

當然,關於飛船內部的情況,只是基於當前的理論進行的可能性猜測。目前,人類在這方面進行的相關研究實在太少,也沒有人進行過實際實驗。

外部觀察者的觀點

根據人類當前的科技水平胡生理機能,要想追蹤光速飛船的執行軌跡是不可能的。

我們可以設想一下,如果一個觀察者具備足夠的技術來觀測光速飛船,那麽情況會是怎樣的。

飛船的CG影像

根據相對論的原理,當一個物體以光速運動時,時間會相對減緩,長度會相對縮短,且品質會相對增加。

因此,光速飛船以光速飛行時,在飛船內部看來時間在正常流逝,長度和品質都沒有發生變化。

然而,外界觀察者會發現,光速飛船上的時間流逝較慢,長度和品質會發生變化,顯得更為奇特和難以理解。

在視覺殘留的情況下,飛船看起來像一條延伸的光線,也可能是其他奇怪的物體,即人們常說的殘影。

飛船的CG影像

因此,外界觀測到的光速飛船或許是一個極度變形的物體,其燈光速度似乎不變,這是因為光速已經是宇宙中最快的 speed。

同時,在相對論中,時間的流逝與速度呈反比,也就是說,物體速度越快,時間流逝越慢。

當你接近光速時,時間的概念基本上就不再適用,這就是所謂的「永生」。

對於宇宙飛船本身而言,這種極高速度的執行方式會使周圍的空間發生扭曲,無論是船外還是船內,所見之物都是無法形容的。

飛船的CG影像

至於超光速飛行,對人類來說更是難以理解。

可以確定的是,人類永遠也無法制造出概念上的超光速飛船。

為了達到超光速,必須滿足無品質、無資訊等條件,而飛船本身就意味著品質和資訊,因此,超光速飛船是不存在的。

當然,大家也不要幻想光速或超光速飛行,因為宇宙並非如我們所想的那樣空曠,一旦與其他星球碰撞,最終的結局恐怕只能是參加一場盛宴。

宇宙中的行星

即便在當今人類科技如此發達的情況下,我們的飛船與光速仍有著遙遠的距離。

你是否了解,從宏觀宇宙尺度來看,光速顯得格外「微不足道」?

光速與宇宙

一艘以光速飛行的飛船穿越太陽系的半個路程只需約5個小時,要知道旅行者姐妹號即使在更短的距離內飛行,也花費了40多年的時間。

太陽與地球之間的距離約為1億5000萬公裏,若以光速計算,所需時間約為8分20秒。

太陽系的結構

若要穿越整個太陽系,即從太陽飛行到海王星,距離約為48億千米,光速飛船需花費近5小時才能完成這次旅程。

然而,需要註意的是,從太陽系邊緣返回地球所需的距離幾乎是到海王星距離的兩倍,因此總時間會稍長於5小時。

橫跨整個銀河系需要10萬年的時間,這個時間遠遠超出了人類壽命的極限。

銀河系結構圖

銀河系並非簡單的正圓柱體結構,其中包含了眾多旋臂、星雲和恒星等天體。

穿越銀河系並非沿直線運動,而是涉及彎曲、反射和折射等多種運動方式,因此精確計算變得異常復雜。

總之,穿越銀河系所需的時間極為漫長,大致在數萬年到數十萬年之間。

這也解釋了為什麽我們在地球上看到的星光都是數百萬年前的,因為光線需要花費很長的時間才能到達地球。

將視角擴充套件至整個可觀測宇宙,其直徑約為456億光年,若以光速前行,亦需耗時456億年。

可觀測宇宙的概念圖

至今為止,人類尚未探知更廣闊宇宙的奧秘,也不清楚它的規模究竟有多大。

由於我們無法實作超光速飛行,因此人類未來若要走出太陽系、銀河系乃至可觀測宇宙,必定不能依賴速度優勢,而必須另尋出路。

在電影【星際穿越】中,導演向我們展示了一種前沿的蟲洞理論,它能夠顯著縮短兩地間的距離,使人們能夠在更短的時間內穿越更長的距離。

蟲洞的概念

盡管這項理論尚未得到證實,但我們堅信在未來一定能夠克服技術難題,推動人類文明邁向更高境界。