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回顾:光速飞船启大灯,宇宙中最不可思议的光影奇观与潜在影响

2024-07-11科学

如果我们假设一艘飞船能够以光速飞行,那么打开飞船大灯会怎样呢?

光速飞船仅存在于设想之中,几乎不可能被制造出来。

宇宙飞船设想图

假设有这样一艘正在飞行中的光速飞船,若此刻开启飞船大灯,将会发生什么情况呢?

针对这个问题,让我们从不同的观察角度来进行讨论。

内部观察视角

在爱因斯坦的广义相对论中,有一个关于光速不变原理的概念。

简单来说,就是指在真空中传播的光,对于所有观察者来说,其速度都是恒定不变的。

狭义相对论的一个基础正是这一光速不变原理,爱因斯坦通过专门求解麦克斯韦方程组并验证自己的猜想来研究相关问题。

光的传播

当然,这个推导过程相当复杂且冗长,超出了今天讨论的范围。

利用光速不变的概念,我们可以得出结论:在驾驶光速飞船时,若打开前方大灯,光速将保持稳定。

假若此时飞船与光速达到了动态平衡,你依然毫无察觉。

首先,在寒冷而漆黑的宇宙中,很少有光线能反射到人类眼中,因此人类无法直接感知到光速飞船大灯的变化。

其次,人眼的视力极限值非常低。在足够大的平面上观察另一个人,其视力极限范围也仅为10公里至20公里。

人类的视线范围

以最常见的生活情景为例,航行在海面上的船只不久后便会从人们的视线中消失。

人们曾经认为,这是因为地球是圆形的,所以船只会逐渐「消失」。

事实上,只不过是因为大家的眼睛看不到而已。同样的道理,光在1秒钟内可以传播到30公里以外的地方,即使反射到人类的眼睛,也难以在第一时间被察觉。

然而,在宇宙飞船上安装大灯完全是多余的行为。

倘若真的能够发明出宇宙飞船,人类或许早已拥有更先进的照明技术,谁还会采用这种如此落后的照明方式呢?

这就好比一个原始人发现雷电可以生火,立刻表示自己将来一定会利用雷电的力量来点燃柴火。

钻木取火所需的原材料

此外,发射出去的光线会被飞船反射,从而使其原有的效果失效。

这让人感到非常无奈

另一方面,人类的生理功能如果没有得到相应发展,光速尺度与超光速尺度之间便没有区别。

对于一个原始人来说,无论手机多么昂贵,在他看来都只是块「石头」。

当然,关于飞船内部的情况,只是基于当前的理论进行的可能性猜测。目前,人类在这方面进行的相关研究实在太少,也没有人进行过实际实验。

外部观察者的观点

根据人类当前的科技水平和生理机能,要想追踪光速飞船的运行轨迹是不可能的。

我们可以设想一下,如果一个观察者具备足够的技术来观测光速飞船,那么情况会是怎样的。

飞船的CG图像

根据相对论的原理,当一个物体以光速运动时,时间会相对减缓,长度会相对缩短,且质量会相对增加。

因此,光速飞船以光速飞行时,在飞船内部看来时间在正常流逝,长度和质量都没有发生变化。

然而,外界观察者会发现,光速飞船上的时间流逝较慢,长度和质量会发生变化,显得更为奇特和难以理解。

在视觉残留的情况下,飞船看起来像一条延伸的光线,也可能是其他奇怪的物体,即人们常说的残影。

飞船的CG图像

因此,外界观测到的光速飞船或许是一个极度变形的物体,其灯光速度似乎不变,这是因为光速已经是宇宙中最快的 speed。

同时,在相对论中,时间的流逝与速度呈反比,也就是说,物体速度越快,时间流逝越慢。

当你接近光速时,时间的概念基本上就不再适用,这就是所谓的「永生」。

对于宇宙飞船本身而言,这种极高速度的运行方式会使周围的空间发生扭曲,无论是船外还是船内,所见之物都是无法形容的。

飞船的CG图像

至于超光速飞行,对人类来说更是难以理解。

可以确定的是,人类永远也无法制造出概念上的超光速飞船。

为了达到超光速,必须满足无质量、无信息等条件,而飞船本身就意味着质量和信息,因此,超光速飞船是不存在的。

当然,大家也不要幻想光速或超光速飞行,因为宇宙并非如我们所想的那样空旷,一旦与其他星球碰撞,最终的结局恐怕只能是参加一场盛宴。

宇宙中的行星

即便在当今人类科技如此发达的情况下,我们的飞船与光速仍有着遥远的距离。

你是否了解,从宏观宇宙尺度来看,光速显得格外「微不足道」?

光速与宇宙

一艘以光速飞行的飞船穿越太阳系的半个路程只需约5个小时,要知道旅行者姐妹号即使在更短的距离内飞行,也花费了40多年的时间。

太阳与地球之间的距离约为1亿5000万公里,若以光速计算,所需时间约为8分20秒。

太阳系的结构

若要穿越整个太阳系,即从太阳飞行到海王星,距离约为48亿千米,光速飞船需花费近5小时才能完成这次旅程。

然而,需要注意的是,从太阳系边缘返回地球所需的距离几乎是到海王星距离的两倍,因此总时间会稍长于5小时。

横跨整个银河系需要10万年的时间,这个时间远远超出了人类寿命的极限。

银河系结构图

银河系并非简单的正圆柱体结构,其中包含了众多旋臂、星云和恒星等天体。

穿越银河系并非沿直线运动,而是涉及弯曲、反射和折射等多种运动方式,因此精确计算变得异常复杂。

总之,穿越银河系所需的时间极为漫长,大致在数万年到数十万年之间。

这也解释了为什么我们在地球上看到的星光都是数百万年前的,因为光线需要花费很长的时间才能到达地球。

将视角扩展至整个可观测宇宙,其直径约为456亿光年,若以光速前行,亦需耗时456亿年。

可观测宇宙的概念图

至今为止,人类尚未探知更广阔宇宙的奥秘,也不清楚它的规模究竟有多大。

由于我们无法实现超光速飞行,因此人类未来若要走出太阳系、银河系乃至可观测宇宙,必定不能依赖速度优势,而必须另寻出路。

在电影【星际穿越】中,导演向我们展示了一种前沿的虫洞理论,它能够显著缩短两地间的距离,使人们能够在更短的时间内穿越更长的距离。

虫洞的概念

尽管这项理论尚未得到证实,但我们坚信在未来一定能够克服技术难题,推动人类文明迈向更高境界。