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假如一艘飞船光速飞行,打开灯的话会照亮前方吗?

2024-03-26科学

提到光速和超光速问题,当然离不开爱因斯坦的狭义相对论。相对论早就告诉我们光速不可超越,同时任何具有静质量的物体速度都不可能达到光速。当物体的速度无限接近光速时,质量就会趋于无穷大,需要无穷多的能量才能做到,显然这是不可能的。

当然,既然是假设,这里就暂时忽略狭义相对论中的光速限制,仅仅从理论上分析飞船光速飞行的问题。

实际上,爱因斯坦的相对论中除了有光速限制,还有光速不变。光速在任何参照系下测量都保持不变,与光源的运动也没有任何关系。说白了,光速与其他任何速度叠加之后,仍旧保持不变,光速是绝对的。

光速不变原理,其实是一个假设,但这个假设非常符合科学家们的实验观测,实验结果都表明了光速的确是绝对的,是恒定的。

了解了光速限制和光速不变的基本知识,下面进入正题。

飞船以光速飞行,打开灯之后,光束会如何运动呢?分两种情况进行分析:飞船内和飞船外。

假设你 就坐 在飞船里面,对于你来讲,那束光该如何飞行呢?刚才讲了,光速是恒定的,不会随着光源的运动而发生改变。这意味着你看到的那束光,仍旧会以光速飞行。哪怕飞船的速度超过光速,你看到的那束光的速度仍旧是光速。

道理说,这种情况,那束光应该能照亮飞船前方的路。但事实上并非如此,这是怎么回事呢?

不要被地球这狭小空间束缚了我们的思维。一句话,在太空中飞船,打开灯试图照亮前方完全是「脱了裤子放屁」,多此一举。

在黑暗的太空中,几乎没有任何物体,你打开灯之后,灯发出的光也只会一直向前飞行,不会有任何光线反射到你眼睛里。说白了,你完全看不到那束光,当然也不可能看到那束光照亮前方了。

如果你在太空中试图用手电筒照明,那是完全做不到的。你想要看到手电筒发出的光,只有一种方法,那就是用手电筒直射你自己的眼睛,否则你是看不到的,因为没有任何物体能反射手电筒的光进入到你眼睛里。

那么,对于外部观察者来讲,是怎么一回事呢?比如说我在外面观察飞船和那束光,会看到怎样的情形呢?

如果在太空中只有你乘坐的飞船,没有其他参照系,我是无法分辨飞船到底是静止还是运动的。

但是,我看到的结果是,飞船的速度与那束光的速度是一样的,因此我会看到飞船当然还有你,与那束光「并肩飞行」,一直处于同一个水平线上。

当然,真实的情况远不止如此。

由于多普勒效应的存在,如果飞船朝着我飞行,那束光的波长就会被压缩,频率变大,就会发生蓝移,我们会看到蓝色的光。而如果飞船远离我飞行,波长会被拉长,就会发生红移,于是我就会看到红色的光束。

假如飞船的速度超过了光速,我会看到什么呢?

我会看到飞船超过了光束,光速都被压缩到飞船的最顶端。如果飞船的材料足够结实稳定,就可以突破光障,把那束光甩到飞船后面。

这种现象其实就是核反应堆中经常出现的「契伦科夫辐射」,发出蓝色辉光。契伦科夫辐射,指的 是介质中运动的物体速度超过光在该介质中速度时,发出的一种以短波长为主的电磁辐射。

比如说电子在水中的速度就可以超过光速,当然这里的光速指的是光在水这种介质的速度,大约只有真空光速的四分之三。当电子超过水中光的速度时,电子飞行的前端就会产生震波波前,光波会被「堆积」起来,说白了就是光爆现象,类似超音速时形成的音爆现象。

总结

通过以上分析可以看出,在太空中,试图通过打开灯来照亮前方的做法,是行不通的,也是无效的。未来的星际旅行根本不存在「开灯」这种说法。

想想也是,宇宙中有无数颗恒星,也没有把太空照亮,想通过打开灯的方式把太空照亮显然是不现实的。事实上,不要说用灯把太空照亮了,即便你就在一颗恒星附近,比如说距离恒星只有十米,只要你背对着恒星,你看到的仍旧是一片黑暗,不管恒星的发光强度有多强,你都看不到一丝光明。除非你面对着恒星,不过那样做的话会「亮瞎你的双眼」!

但是,在外部观察者眼里,一切都大不相同了,外部观察者会看到更为绚丽不可思议的现象!

完。