光速真成了人們心中的一道坎了,現(xiàn)在再重申一遍:任何物體,包括人是達(dá)不到光速的,這是相對論光速不變原理的限制(除非證明這個原理是錯誤的,但到目前為止還沒有),狹義相對論就是以這個原理和相對性原理為基礎(chǔ)建立起來的,所以狹義相對論的一些結(jié)論公式也體現(xiàn)出了這種限制,比如說相對論的質(zhì)量效應(yīng)公式:
(其中m為物體質(zhì)量,m0為物體靜質(zhì)量,V為物體運(yùn)動速度,C為光速,如果m0≠0,Ⅴ→C,則分母根式→0,則m→+∞)公式中雖然沒有明著對物體的運(yùn)動速度進(jìn)行限制,但物體運(yùn)動速度一旦接近光速,它的質(zhì)量會趨向于無窮大,達(dá)到光速質(zhì)量就是無窮大,為了推動這個無窮大質(zhì)量的物體運(yùn)動,需要無窮大的能量,如果宇宙是有限的,那整個宇宙的能量都不夠,因而阻止著物體達(dá)到光速。光速都達(dá)不到,更別說超光速了。
現(xiàn)在能達(dá)到光速的唯有光自身了(當(dāng)然還有引力波),因為它的靜止質(zhì)量為0,因此與相對論的質(zhì)量效應(yīng)公式并不矛盾。所以這個題目可以改成“光穿越銀河系需要多長時間?是10萬年還是0?”比較合理。如果非要讓人達(dá)到光速,比如說用了無窮大能量把人加速到光速了,那這時人就脫離時空成為光了,最后還是光穿越銀河系。
還有題目中提到10萬年,當(dāng)然指的是銀河系的直徑是10萬光年,不過這是老數(shù)據(jù)了,最新數(shù)據(jù)是18萬年,還是我國發(fā)現(xiàn)的,不過問題的重點(diǎn)并不在10萬還是18萬。好了咱們回到問題上來,下面回答一下。
正式回答
光速穿越銀河系需要多少時間?到底是18萬年?還是0?答案是這樣的:對于光自身或者是光速飛行的人來說是0,而對于相對靜止于地球或者銀河系的觀察者來說是18萬年(沿著銀道面水平方向穿越)。
根據(jù)相對論,時間具有相對性。物體運(yùn)動速度越快,其時間流逝的速度越慢。自己雖然覺不出來,但相對地球靜止的觀察者會觀察到物體所在參考系的時間變慢了,這就是所謂的“鐘慢尺縮”效應(yīng)。這里有個時間膨脹公式:
(其中△t′為運(yùn)動物體的時間間隔,△t為相對地球靜止的觀察者的時間間隔,V為物體相對地球的運(yùn)動速度,C為光速)―― 物體運(yùn)動速度V越接近光速,根式→0,其時間△t′→0,即時間越膨脹。根據(jù)公式,如果V=C,則△t′=0,即物體運(yùn)動速度達(dá)到光速,則它的時間靜止了。
如果這個光速運(yùn)動的物體是個人,這個人還有知覺的話,他會覺得還沒有開始穿越銀河系,就穿越完了銀河系,甚至連宇宙也穿越完了,沒有用一點(diǎn)時間。還沒等著感覺到時間流逝,就沒有什么可穿越的了,就這樣脫離了宇宙時空的束縛,最后成為光是必然的。
對于“他”來說,別說時間不存在了,空間也不存在了。“他”當(dāng)然還是存在的,因為沒有任何原理不允許他可以別的我們并不知道的方式存在。
在地球觀察者來說,這人正在進(jìn)行幾十萬年、甚至幾百億年的漫長飛行。而其中穿越銀河系用了18萬年。當(dāng)然這是沿著銀道平面的穿越,如果是垂直于銀道面經(jīng)過銀心的穿越,則需要1.2萬年即可,因為銀河系中心厚度為1.2萬光年。
以上是假定人以光速穿越銀河系的回答,實際上人是達(dá)不到光速,未來的人類用亞光速穿越銀河系倒是很有可能的。
下面回答一下人類亞光速穿越銀河系需要多少時間?還有什么方法?
為了簡化回答,我們只以沿著銀道面水平方向的穿越為例。人以亞光速飛行,由于鐘慢尺縮效應(yīng),在地球觀察者看來的18萬光年的銀河系直徑,在亞光速飛行的人看來并沒有那么長,具體有個相對論尺縮公式:
其中L為亞光速飛行的人看到的銀河系直徑,L0為地球觀察者看到的銀河系直徑,這里為18萬光年,即1.89x10^21公里,V為人的速度,C為光速,當(dāng)V→C時,則根式→0,L→0。當(dāng)V=0.8C時,L≈10.8萬光年,則△t=L/V≈13.5萬年;而當(dāng)V=0.99999999C時,L≈25.45光年,則△t≈25.46年。也就是說當(dāng)人以光速的0.99999999倍飛行時,只需25.46年就穿越了銀河系,這當(dāng)然是亞光速飛行的人的時間,地球人則過了18多萬年。
當(dāng)然如果未來人掌握了“蟲洞”技術(shù)和曲速引擎技術(shù),像穿越銀河系這樣的星際旅行會成為常態(tài)。所謂的“蟲洞”是愛因斯坦1936年提出的,利用空間折疊技術(shù)把兩個遙遠(yuǎn)的時空連接在了一起,實現(xiàn)瞬時空間轉(zhuǎn)移和時空旅行。
由于是走了一個捷徑,所以并不是真正的超光速,并沒有違反光速不變原理。
所謂的曲速旅行就是在運(yùn)動物體周圍利用反物質(zhì)驅(qū)動的曲速引擎制造一個人工曲力場,即壓縮運(yùn)動方向上的時空、膨脹后面的時空形成一個“時空泡”,使物體能在這個泡中以若干倍光速移動。
由于只是壓縮了時空,所以并沒有真正的超光速。以上兩種穿越銀河系方法所用的時間,不論是對于飛行的人,還是對于地球人,時間都不是太長,如果未來這些技術(shù)成熟,肯定會成為人們星際旅行的首選,穿越個銀河系就像從上海到北京那樣方便和省時。據(jù)說現(xiàn)在正有人在尋找銀河系的“蟲洞”,讓我們期待吧。
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