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光速最快,但人类所能达到的最快速度却并非光速,它比光速慢得多

这个是认证

科学信仰

2022-01-05 09:32

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浩瀚的宇宙充斥着无尽的奥秘,所以人类有着一个梦想,那就是能够自由地穿梭在星际空间之中,而要实现这一梦想,关键就在于速度。

宇宙太大了,仅太阳系的半径就达到了1光年,而太阳系不过是银河系中数千亿个恒星系中的一个而已,而像银河系这样的星系,在宇宙中又何止百万千万。所以,要在宇宙中遨游,首先要解决的一个问题就是速度,而速度的极限,宇宙早就给我们划定了,那就是光速。没有静止质量的物质从诞生的一刻起就只能以光速进行运动,而具有静止质量的物质则无论如何也无法达到光速,这是因为具有静止质量的物质在运动的过程中会产生与引力质量等效的惯性质量,速度越快,惯性质量就越大。


惯性质量增加了,要继续提升物质的速度就需要投入更多的能量,当物质的速度无限接近于光速,质量也就趋近于无穷大,而继续加速所需要的能量也就达到了无穷大,而宇宙中没有无穷大的能量,所以不可能推动具有静止质量的物质达到光速。

光速是宇宙中的极限速度,这意味着不管人类未来的科技如何发展,“无限趋近于光速”就是人类的极限,而以这样的速度冲出太阳系需要一年的时间,而去往距离地球最近的系外恒星比邻星,则需要4年多的时间,而要离开半径为10万光年的银河系则需要长达10万年的时间。是不是很令人绝望?更绝望的还在后面。


光速的确是宇宙的极限速度,但它并不是人类的极限速度,人类真正的极限速度要比光速慢得多。

那么是什么划定了人类的极限速度呢?这里有一个非常熟悉的名词叫做“微波背景辐射”,它是宇宙大爆炸遗留下来的电磁波辐射,而本质上微波背景辐射就是进入了微波波段的光子。这些光子来源于宇宙诞生之初,因为宇宙空间不断膨胀的关系,所以进入了微波波段,从而形成了一种微波辐射,它充斥于整个宇宙空间之中。光子是一种物质,一种不具有静止质量的基本粒子,不管是宏观物体,还是微观物质,在与光子发生碰撞时,运动状态都不会产生任何的变化,不过这只是在一般情况下。


当一个物体的运动速度达到了一定的高度,就会与微波背景辐射的光子发生相互作用。

举例而言,当一个质子以极高的速度撞上光子之后,会生成一个Π介子,而Π介子是具有静止质量的。根据质能守恒定律可知,质量不会凭空产生,那么这个具有静止质量的Π介子是从何而来的呢?是由能量转化而来的,而为其提供能量的就是高速运动的那个质子。在各种介子中,Π介子是最轻的,它的质量为139.569MeV/c²,MeV/c²是质量单位,1MeV/c²=1.783X10∧-36kg。Π介子虽轻,但生成一个这样的介子所需要的能量却不能忽略不计。


根据质能方程E=mc²可知,能量等于质量乘以光速的平方,光速取值299792458m/s,光速的平方是一个极大的数字,所以即便是极小的质量也对应着极其巨大的能量。

因此,当高速运动的质子与微波背景辐射的光子发生碰撞后,会生成一个Π介子,而这个介子的生成会使运动质子的能量出现下降,能量下降了,速度就降低了,直到这个质子的速度降低到某个临界值之下,才能不再与微波背景辐射的光子发生相互作用,能量才不会继续下降,而这个临界值所对应的能量就被称之为“GZK极限”,而质子的GZK极限就是5X10∧19eV。


宇宙中一切物质的速度都受到GZK极限的制约,从宇宙射线到星际飞船,概莫能外。

所以未来人类制造的宇宙飞船一旦超过了GZK极限就会与微波背景辐射的光子发生相互作用,以致减速,直到速度降低到临界值之下为止,而且这种相互作用除了会限制飞船的速度以外,还可能会给飞船造成损伤,所以不要去想什么光速了,GZK极限就已经是人类所能够达到的极限速度了。如此说来,人类进行星际远航的希望岂不是没有了?其实不管GZK极限是否存在,人类星际远航的希望都不能寄托在速度上,因为即便是以光速运动,对广袤的宇宙而言依旧太慢了。所以人类想要实现星际远航还得寄希望于空间本身,必须找到可以跨越空间的虫洞。

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