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宇宙存在一个无法突破的速度限制,不是光速,它才是人类的障碍

2024-10-26科学

来源:科技眼

估计任谁都做过这么一个梦,想象自己乘坐着一艘拉风的飞船,行驶在广阔的星海之中。透过舱室的透明玻璃,你马上就可以融进宇宙之中,虽然太空没有风,但是行驶在宇宙之中,本身就是一件很拉风的事情。

然而,梦醒了,你还是那个居住在地球上的小瘦猴子。

有的时候,你或许也会忍不住去想,自己什么时候才能进入宇宙呢?自己什么时候,才能亲眼见识生活的这个星球的全貌呢?

地球上大多数人,大概都有着这种想法。说到底,是因为我们心中始终有着对于自由的向往,宇宙,在当下的世界,即代表了最高程度的自由。

其实,人类能够飞上天也就不过一两百年的事情。进入宇宙,更是才有几十年。几十年前,加加林能够进入宇宙都算是惊天动地的大新闻。而现在,咱们人类已经有能力发射空间站,并在其中住上一段时间。

在某些乐观主义者看来,虽然现在咱们不能够进入宇宙,但万一突然又来一轮科技爆炸呢?那个时候,等到咱们老了之后,说不定还能够开展一太空游。假如科技再发展猛点,说不准咱们就能够在寿终正寝之后,买上一块太空墓地,过上流浪地球的日子。

但是,对于现在的人类而言,这些都只是不现实的幻想。等到有能力大规模送人上天的那一刻,估计也就到了人类真正开启太空时代的时候了。而到了那个时候,殖民外太空,才是时代的主题。

而现在在人类面前,不仅仅有技术困难,咱们在理论上一样面临着难关。除了光速这个难以突破的难题,还有另外一个限制。这个同为速度领域的限制,使得人类现在只能做梦想想太空时代。

现在,咱们就来详细了解一下这些难题。或许,在了解完这些问题之后,你会明白,为什么科幻小说里面的场景迟迟不能在现实生活中出现。

速度之殇

作为物理学上开宗立派的人物,爱因斯坦是我们在谈论宇宙的时候,永远绕不开的一个人物。这么多年了,也没见谁能够在相对论之外另外开辟出一块领地。可以说,只要想探索宇宙,咱们就脱离不开相对论。

在相对论中,就有一个比较有趣的观点。咱们看科幻小说,经常能够看到什么光速飞船之类的东西。然而,假如严格遵循相对论,这个世界上就不可能有光速飞船。爱因斯坦的质能公式就说明了,如果你想要达到光速,你所需要的动能就是无限。

无限是个什么概念呢?灭霸够猛了吧,一个人可以灭宇宙一半的生命体。但是涉及到无限,即使是灭霸都没有用。换句话说,即使有一百个灭霸推着飞船前进,飞船的速度都不可能达到光速。

当然了,假如你是一个非常规物体,说不准就有机会脱离光速的限制了。比如,你不具备任何的质量,你是一个光子。那么,你就可以在速度方面随便造,想要有多快就可以飞多快,达到光速都没人可以限制你。

咱们这些小瘦猴子虽然质量挺小,但是跟电子这些比起来,那就是难以想象的庞然大物了。人电子也只能被加速到99%光速,你一个小瘦猴子凭什么就想达到光速?

因此,在小说【三体】里面,人家三体科技水平够高了,但是设计出的飞船,也远远不可能达到光速级别。现在的人类,设计出的飞行器极限速度也不过百分之一光速。说到光速,那就只能眼巴巴的想着。

而在光速的前面,还有一个名为GZK极限的东西。假如不能解决这个理论问题,我们人类永远别想设计出接近光速的飞行器。

所谓的GZK极限,其实在上个世纪60年代才出现的一种理论,指的是在宇宙中飞行的粒子、射线其极限速度不能超过一个固定的值。超过这个固定值的物体,CMB辐射的粒子就会开始发挥作用,对该物体进行阻碍。

为什么会出现这种情况呢?按照科学家的解释,CMB——即宇宙背景辐射之中,存在大量的粒子,这些粒子是宇宙大爆炸的产物,广泛存在于宇宙之中。当物质超过了GZK极限,物质就会跟CMB粒子发生作用,原本的动能会大幅下降,减少的能量,则被用来形成新的介子。一直到物体的动能降低到GZK极限之下,这种反应才会结束。

翻译成我们常用的话,就是宇宙中存在一张钢丝网。这道网弹性极大,你就这样去碰他,他没有什么反应。但是一旦你到达某个极限,这张网就会开始阻碍你的运动,并且不断磨损你的表皮。一直到你痛了,开始慢下来了,这张网才不会跟你作用。

假如有一天,我们人类突然支棱起来了,知道光速飞船应该怎么制作了,咱们也不可能在宇宙中以光速航行。原因就在于此,超过GZK极限,飞行器甚至会面临粉碎的危险。那个时候,你可能人在飞船里面坐着,还没反应过来,就在一片祥和之中,看着自己的身体化为一堆粒子。这种过程,是相当痛苦的。

GZK问题相当难以突破,因为这就是基本规则。但是,群星的吸引力是没法抵挡的。咱们人类不可能永远窝在地球这一亩三分地。有没有什么办法,能够让我们既能实现星际旅行,又能够活着到达目的地呢?

智者百谋

这里,咱们还是得提到小说【三体】。要不为啥说人家【三体】牛呢,用一个简单的说法,人大刘就可以将抽象的概念解释得明明白白。根据相对论,宇宙并不是平坦的平面,而是受到星体质量影响的,处处存在曲面的空间。

既然实体物质无法达到光速,那么咱们就换个想法,别想着自己去动,而是让别人牵着你动。就像骑马,你没法达到那么快的速度,但是马可以啊。物质不能突破光速,但是空间是可以的啊。

因此,在上个世纪九十年代,科学家提出了一种设想,假如能够让时空推着咱们前行,咱们就能够实现突破光速的宏伟目标。你看,突破光速的其实不是我,而是推着我前行的时空。这么做,咱们就就不违反相对论了嘛。

这是一个很合理的设想,就是有几个小难点。第一个难点,就是你怎么做到在飞船周围产生一个平稳的时空?第二,就是你应该以什么样的结构去设计飞船,从而实验这一计划?

想要征服时空,就需要大力出奇迹。而出力需要的能量,绝对不是人类目前能够弄出来的。根据计算,想要实现曲率飞行,一次所需的能量,就得消耗一整颗木星的质量。好嘛,这么一计算,太阳系的这几颗行星全拿来用,也只够人类飞几次而已。这已经不是一般的败家,流浪地球的野心都没有这么大。

因此,到目前为止,也没有任何人敢疯狂地说自己能够设计出曲率飞船。也就只有【星际迷航】这部科幻电影,让我们能够见识曲率飞船的魅力。

不过,这个猜想确实是很有魅力。因此,再这个设想的基础上,又出现了一种新的设想,就是咱们不需要一个包裹着飞船的空间了,咱们就改变屁股后面的时空曲率,让前面的时空曲率拉着咱们前行。

大刘的曲率飞船假设就来源于此。这么一来,就不需要那么恐怖的能量了。不过,这也是一个难以实现的想法。依照目前人类的科技水平,估计还得等上不知道多少年,才能够有那么一点希望。

而在曲率飞船之外,人们还有一种假设,就是利用虫洞来进行星际旅行。

前文也说过,我们所在的宇宙并不是一个简单的平面。真实的宇宙,可能更像是一个各处不尽相同,犹如绵延山体一样的存在。

因此,爱因斯坦就假设了一种情况,在宇宙中,其实存在一种特殊的情况,即存在一种神奇的通道,这个通道可以连接宇宙的不同两处,只要钻进去,马上就能够从另外一处地方出来,中间跨越数光年甚至数千光年都不是问题。

电影【星际穿越】就描述过利用虫洞进行星际旅行这一美好想象。这样做,不需要人类寻找可持续使用的庞大能源,也不需要去挑战gzk口下面。在需要找到一个可供穿越的虫洞,人类就能完成星际航行。

但是,虫洞旅行仍然面临着巨大问题。在目前的科学体系中,虫洞始终只是一种理论上的存在,是通过数学算出来的。但是,到底有没有虫洞,虫洞会不会像黑洞一样,摧毁所有的物质,这都是未知的问题。

好嘛,既然短时间之类到达目的地难以实现,那我索性不管了,直接就耗费大量的时间,跟你这旅程耗上了。也不突破什么光速了,咱有多少速度就用多少速度,花个几千年就花吧,只要能到达,那就是好事。

而这,也引出来第三个主流观点:休眠旅行。

其实,也不要过于看低人类现在的科技水平。早几年,我们就已经证明了,人类是有能力将物品送上火星的。人好奇号都已经在火星上飙车几轮了,也不缺你这么一两个人送上去。而人家旅行者号都飞出太阳系了,这也证明了,人类是有办法克服第三逃逸速度的。

不过,送探测器是一回事,而送人上去又是另外一回事。人是碳基生物,而不是硅基生物,不能够不吃饭的。一旦涉及到人,就不得不考虑后勤的问题。水得有吧?食物不能不带吧?又不是逃难,生活必需品总得准备吧?

一旦把这些全部考虑进去,一艘小小的飞船,要承载的东西可就太多了。现有的科技水平下,人类的能源利用率完全不足以搭载这些东西。非要去做,付出的代价是难以想象的。而能源利用率不是一朝一夕能够改善的事情。

这个时候,休眠仓的作用就显得相当大了。自然界中,一旦冬天来临,就有大量的动物开始进入冬眠状态,在这种状态下,动物所消耗的能量就会大幅度减小。虽然人类没有冬眠的习惯,但只要是科学能够探明的原理,人类总有能力做到。

因此,一种基于冬眠所创立的概念开始被人重视。低温休眠并不是什么新奇的概念,这些年的科幻片里,这个概念基本上都被人玩烂了。但凡有星际主题的电影,基本上都有低温休眠仓的影子出现。

不过,低温休眠虽然名声极广,相关的仪器也有很多,但是真正去做出来这么一个东西,却相当困难。

假如是浅度的睡眠,总是会有醒的时候。因此,低温休眠必须是深度睡眠。根据设想,在低温休眠的状态下,人会进入一种低新陈代谢,且难以醒来的状态下。进入这种装填,也就不用担心能量消耗的问题。

NASA就开始尝试这么做了。几年以前,NASA就公布了相关计划,宣布将会建立低温休眠仓,以满足太空旅行的需求。

根据目前已有的概念,低温休眠仓应该不仅仅是一种用来睡觉的仪器。一旦进入星空之中,人类所花费的时间就不可能是几天,而是数年,数百年。在这种情况下,人类身体势必会出现变化。缺乏新陈代谢,人的身体固然能够减少能量消耗,但是又怎么保持器官健康呢?

因此,休眠舱必须具备多重功能。除开最基本的维持冷藏功能,还应该对人类身体进行检测,并针对健康问题,制定出对应的治疗方案。

不过,低温休眠肯定不是简单粗暴把人丢进低温环境就能够做到的。在这个过程中,必须要考虑到冷冻过程对人类的伤害。除此之外,如何在最低损伤的情况下,唤醒休眠中的人类,这也是一个难以攻克的难题。

不过,根据NASA的声明,似乎他们已经将这个问题攻克得差不多了,甚至已经建造了原型机。似乎,低温仓已经成为了一种马上就能实现的概念。当然,以上提到的种种,其实都是科幻的概念了。我们这个低级文明,都还没有送人大规模上天的能力呢,又从何谈起星际旅行呢?只能说,把一切交给时间了。

总结

对于星际航行保持热情,其实是一件相当好的事情。

从上个世纪开始,我们人类就进入了一种新的状态。爱因斯坦的相对论,让我们得以看到真理之门的门槛。而冷战时期的航空竞赛,虽然背后政治意味满满,但是对人类的贡献是实打实的。

而到了今天,对于我们中国人而言,星际旅行则代表着更多的东西。对于天空,咱们的老祖宗自古就有无穷的困惑。屈原的【天问】就是最好的代表。探索宇宙,对于我们而言,更像是一种使命的传承。

因此,我们也可以看到,在进入新世纪之后,我们国家在航天事业上持续投入。其背后,就是对于宇宙的向往,也是对科技的向往。而在今天,已经有例如天宫等空间站飞上天空,这一切,都彰显着中国力量。

相比于上个世纪的航天竞赛,今天的航天技术发展也有别的意味。进入新世纪,人口问题不断增加,虽然陆地广阔,但是架不住人口的增长。人类的未来在何处,在一段时间内成为所有人的困惑。

也就是在这个情况下,外太空开始成为人类未来的希望。这些年来,我们也发现了不少的类地行星。这些行星,只要能够达到,说不定就能成为人类理想的栖息地。可以说,想要实现发展,想要再次进化,人类只能逼迫着自己走向宇宙。

人类最绝望的未来,就是在危机降临时,才发现星际旅行是早就应该完成的事情。而【流浪地球】只是一本科幻小说,现实里面,想要去制造行星发动机这样的东西,肯定是不现实的,因此,布局星空,其实就是布局未来。

而在未来,我们肯定还会遇到更多的难题。GZK极限只是一个开始,并不可能就是唯一的问题。