光速極限

光速極限

光波或電磁波在真空或介質中的傳播速度。光速是目前已知的最大速度,物體達到光速時動能無窮大,所以按目前人類的認知來說達到光速不可能,所以光速、超光速的問題不在物理學討論範圍之內。

概述

光速極限光速極限
光速極限
在讀AD歷險記中,你可能注意到AD的速度幾乎是,但並不等於光速。這似乎有很充分的理由:遠低於光速的速度相對論效應不顯著。然而實際情況是超光速在物理學中是不可能的。
我會告訴你這是為什麼。假想AD奮力想將他的飛船加速到光速。好,我們已經知道物質的能量與γ參數成比例,這在相對論計算中太普遍了。但你現在也會知道當物體的運動速度等於光速時,γ參數將變為無窮大。因此,為了讓AD的飛船加速到光速,他將需要無窮大的能量。這顯然是不可能的。因此儘管對於一個物體可以以多么接近光速的速度運動並無限制,但任何有質量的物體都不可能達到光速。實際上,沒有質量的物質必須以光速運動,在此我不想討論其原因。唯一的一種沒有質量的物質是光(被稱作“光子”),或許還有中微子(不久前已經證實,中微子有質量。譯者)
傳遞光速之光子-內部結構模型圖傳遞光速之光子-內部結構模型圖

還有其他物體不能朝光速運動的原因。其中之一與“因果性”有關。假設我投出一個壘球並打碎了一扇窗戶,那么“我投出球”就是“窗戶被擊碎”的原因。如果超光速是可能的,那么一定會有某種參照系,其中“窗戶被擊碎”先於“我投出球”發生。這導致各種邏輯衝突(特別是當窗戶已經碎了之後又有人截獲了飛行中的球,阻止了窗戶被擊碎!)因此我們將物體能超光速運行這種可能性排除了。更進一步,因果性排除的不僅是朝光速運動,更排除了任何超光速通訊。
光速,就我們所知而言,是一道不可逾越的障礙。
如果你和我一樣是個科幻迷,這將是一個壞訊息。幾乎可以肯定,在除地球之外的太陽系中不存在有智慧的生命。然而恆星間的距離太遠了!我們即使以光速運行,到達最近的恆星也要花上4年時間。所以沒有比光快的交通手段,將很可能無法在銀河系中遊蕩並與異型文明相遇,為爭奪銀河系的帝位而站,等等。
另一方面,由於長度收縮,或許情況並非那樣令人絕望。假設你登上一條飛船,以接近光速飛往10光年以外的一顆恆星。從地球的參照系看來,這個旅行將持續10年。然而對於這次旅行中的乘客而言,長度縮短了。因此這個旅行只用了不到10年的時間。並且飛船飛行得越接近光速,(相對於地球和恆星的)長度收縮得也越多(你也可以從時間膨脹的角度考慮這個問題)。
為了說明這點,這裡有一個表,標明以不同的速度到達不同目的地所需要的時間。讓我解釋一下它們的含義:
首先,為了能產生顯著的長度縮短,我們必須非常接近光速。因此我假設在旅行中飛船可以產生一個穩定的加速度。這也就是說,飛船內的人將感受到一個連續的加速度。例如,前半程以1g(g為地球的重力加速度。譯者)加速,後半程以1g減速。
目的地 距離
(光年) 加速度
( g) 最高速度 地球時間
(年) 飛船時間
(年)
人馬座α星4.3
.1
1
2
.57c
.95c
.98c
13.6
5.9
5.2
12.7
3.6
2.3
天狼星8.7
.1
1
2
.72c
.98c
.995c
20.3
10.5
9.6
17.7
4.6
2.9
Vega26.5
.1
1
2
.91c
.998c
.9994c
42
28.4
27.5
29.2
6.5
3.9
獵戶座520
.1
1
2
.9994c
.999993c
.999998c
539
522
521
78
12.2
6.8
Deneb1600
.1
1
2
.99993c
.9999993c
.9999998c
1620
1602
1601
99
14.4
7.9
銀河系中心30000
.1
1
2
.9999998c
Really fast
Really fast
30020
30000
30000
156
20.0
10.7
仙女座(星系)2200000
.1
1
2
Really fast
Really fast
Really fast
2200000
2200000
2200000
239
28.4
14.9
目的地 距離
(光年) 加速度
( g) 最高速度 地球時間
(年) 飛船時間
(年)
第二列以光年為單位給出了地球距離我們目的地的距離(一光年是光在一年內傳播的距離,大約是6萬億英里)。我加入了三種不同加速度的計算,一種較小,另一種較大;剩下的一種與地球的重力加速度相等。加速度為2g的旅行可能會非常不舒服,因此或許你根本不用再考慮所有比這更大的速度。
第四列列出了最大速度(在中點處,當飛船正要轉入減速運動時)與光速的比值。最後兩列給出了旅行所需要的時間。首先以地球為參照系,然後以飛船為參照系。其中的差別很重要。我的意思是,如果說你乘飛船以2g的加速度飛往獵戶座,在你到達獵戶座之前要在飛船上渡過6.8年的時間。(儘管距離很遠,但“飛船時間”增加得非常慢。這是因為距離越大,在開始減速前你越能接近光速飛行,因此你得到的長度收縮越多!)但當你到達那裡的時候,地球上已經過500多年了。你到達獵戶座後所發出的任何信息都將在500年後到達地球,回信也是如此。因此如果人類有一天能漫步在銀河系之中,不同居住點之間將處於隔絕狀態。地球上的人不可能以任何常規方式同獵戶座附近的人交談。
為建造一艘可以像這樣無限加速的飛船,現在看來有無窮的技術困難。這些困難可能會被證實是不可克服的,那么我們就只能在幻想的空間遨遊;但如果它們是可以克服的,並且如果我們人類可以活得足夠長以克服它們,那么我剛才所描述的正是依據狹義相對論的理論上(可行的)遠程宇宙旅行。
當然,許多科幻小說仍然加入了超光速飛行。但它們也常常不得不在其中引入一些奇怪的概念,如:“(時空)扭曲”、“逾時空”。最終的情況是:就我們今天所知的時、空而言,超光速飛行是不可能的。但如果你喜歡,你總可以寄希望於某種時空的“視窗”或一個全新的,允許物體超光速運動的物理分枝被發現。
那樣,我們就可以著手建立一個大銀河帝國了!

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