为什么科学家认为,就算达到光速,人类也到不了宇宙的边缘?

星空承载梦想 2024-11-23 09:03:32
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从古至今,人类一直都在提升自己的出行速度,速度是探索世界最快的途径,人类的出行速度经历了漫长的过程,第一个是步行阶段,这是人类最原始的出行方式,人类依靠双脚行走,速度非常缓慢,正常速度大约是每小时5千米,在这个阶段,人类的出行范围受到了很大的限制,长途出行需要耗费大量的时间和精力,并且面临着各种自然环境的挑战,第二个阶段是马车时代,随着人类对动物的驯化,马车逐渐成为重要的交通工具。马车的速度相比步行有了显著提高,一般情况下可以达到10-20千米/时。第三个阶段是蒸汽机时代,1769年詹姆斯·瓦特发明蒸汽机,标志着人类交通工具进入飞速发展阶段。蒸汽火车、蒸汽轮船等交通工具相继出现,蒸汽火车的速度可以达到60-100千米/时,蒸汽轮船的速度也比传统的帆船快得多。

第四个阶段是现代高速交通工具时代,20世纪后期,高速铁路技术迅速发展。高铁的速度可以达到250-350千米/时,甚至更高。例如,中国的复兴号高铁,最高运营速度可达350千米/时,大大缩短了城市之间的时空距离,使得人们的出行更加便捷、高效。而且人类依靠先进的交通工具已经能够走出地球探索宇宙,这说明人类科技发展的速度非常快,当人类走出地球之后,人类对宇宙充满了好奇,人类想要知道宇宙到底有多大?带着这个疑问人类走上了探索宇宙的道路,为了探索宇宙的奥秘,科学家们也做了很多努力,比如说在1977年人类发射了旅行者1号探测器,在1965年的时候,美国加州理工学院的Gary Flandro发现太阳系四颗外行星在80年代会呈现罕见的排布。

探测器可以借助这个机会一次性飞越探测,利用引力弹弓效应加速,节省时间和燃料,这样的机会每隔175年才会出现一次,现在旅行者1号探测器距离地球245亿公里,每秒能够飞17公里,对于人类来说,这样的速度已经非常快了,不过即便如此,人类想要飞出太阳系依然需要3万年左右的时间才能够飞出去,而且这仅仅是太阳系,放眼整个宇宙,太阳系可以忽略不计,要知道太阳系的外面是银河系,银河系的直径大约是10万光年左右,银河系里面包含了像太阳这样的恒星和大量的星团星云,其中像太阳这样的恒星大概有2000亿到4000亿颗。其质量也是太阳的1000多亿倍左右,不过在宇宙中,像银河系这样的星系,差不多有上千亿个,而且目前人类能够观测到的宇宙直径达到了930亿光年。

对于人类来说这简直就是一个天文数字,所以人类的飞行速度面对浩瀚的宇宙实在是太慢了,那如果将飞船速度提升至光速会怎么样?相信很多人都知道,光速是宇宙中最快的飞行速度,它在真空中的速度为每秒299792458米,大约是每秒30万公里,这个速度和人类现在的飞行速度相比,差别很大,看到这里,可能很多人会产生一个疑问,就是光速如此之快?人类是如何计算出来的?最早测量光速的科学家是伽利略,他让两个人分别站在相距几公里远的山顶上,手持遮挡灯火的屏风。一人先打开屏风露出灯火,另一人看到后立即打开自己的屏风,通过记录两个信号之间的时间差和距离差来计算光速。不过人眼的反应速度和光速相比差的太多,所以最终以失败告终。

1676年,天文学家奥勒·罗默在研究木星的时候,利用木卫一和木星阴影的交替时间,计算出了木卫一的轨道旋转周期,但当地球和木星位置越来越近的时候,木卫一离开木星阴影的时间就变短了。奥勒·罗默因此明确了一个观点,那就是光速并非无限,而是一个有限数值。经过测量,奥勒·罗默得出的光速是每秒21万公里。虽然这个光速的数值和现在的数值还有一定的差距,但是在17世纪能够计算出这个数值也是非常厉害了。1983 年,第 17 届国际计量大会将光在真空中行进 1/299792458 秒内的距离定义为 1 米,把米与真空中光速联系在一起,使得光速成为了一个精确的国际单位制常数。这个数值和现在的数值基本上差不多。根据爱因斯坦的理论,任何有质量的物体都无法达到光速,这就意味着,无论我们怎么努力,人类都不可能达到光速。

根据爱因斯坦的相对论,物体的惯性质量并非固定不变,而是会随着其运动速度的增加而增大,当物体速度趋近于光速时,其惯性质量会趋于无穷大,这意味着要将一个有质量的物体加速到光速,所需要的能量也会趋于无穷大,而在现实世界中,不存在无穷大的能源来提供这样巨大的能量,所以无法使物体达到光速,比如说粒子加速器可以将微观粒子加速到接近光速,但是无论输入多少能量,都无法使粒子真正达到光速。达到光速需要极其巨大的能量。按照质能方程(其中 表示能量, 表示物体质量, 表示光速),能量与质量和光速的平方成正比。即便是极微小的质量,当速度接近光速时,其能量需求也会变得极其巨大,远远超出了人类目前所能掌握和提供的能量范围。

而且相对论指出,空间和时间是不可分割的,共同构成四维时空,光速不仅仅是一个速度的极限,也是时空结构的一个关键的部分,在这样的时空结构下,物体的运动速度受到光速的限制是宇宙中的基本定律之一,所以人类最快的飞行速度能够达到亚光速,比如说在接近光速的情况下,4年后我们就能够达到比邻星,这里有一颗行星被称为比邻星b,有可能存在外星生命,如果我们再垂直于银道面飞行的话,只需要3000年就能够飞出银河系,254万年后就能够达到仙女座星系,930亿年后横穿整个可观测宇宙,通过以上的数据我们能够知道,光速在宇宙中就是龟速,驾驶光速飞船遨游在宇宙中,和蚂蚁在地球上爬是一样的。看到这里,相信很多人一定会说,即使光速很慢,只要有足够的时间,也能够飞到宇宙的边缘。

如果说我们的宇宙是恒定不变的,那么只要时间足够,总有一天我们能够飞到宇宙的边缘,但是我们的宇宙在不断膨胀当中,在20世纪初的时候,静态宇宙的理论在科学界广为认可,静态宇宙是指一个不随时间变化的宇宙模型,在静态宇宙模型中,宇宙的结构、密度和分布都保持不变,时间没有起源和终结,也没有收缩和膨胀,爱因斯坦曾经在广义相对论中引入了一个被称为宇宙常数的项,用来抵消引力的作用,以使宇宙保持静态状态,但是这个理论也被很多人质疑,德国科学家奥伯斯就对这个理论发出了挑战,如果宇宙是稳定的、无限大且均匀分布发光体,那么从任何一个方向看天空,我们应该能够看到一颗发光体的表面。由于光的照度和距离的平方成反比,而在一定距离上球壳内的发光体数目和距离平方成正比。

这意味着我们应该能够看到无限多的发光体,导致整个天空都应该是光亮的,而不是黑暗的,简单来说,由于光在真空中传播时不会衰减,它以恒定的速度传播,并且不会因为传播距离的增加而减弱,宇宙中恒星的数量多的数不过来,它们的光照之和应该足以照亮我们的夜空,所以夜空不应该是黑色的。直到1929年的时候,美国物理学家爱德温.哈勃在观测中发现,距离我们越远的星系远离我们的速度越快,其中红移和距离呈现出线性关系,这个发现主要就是通过红移现象发现的,红移现在在物理学和天文学领域有重要的意义,红移现象指的是物体发出的电磁辐射频率降低现象,即波长变长、频率降低,在可见光波段,红移表现为光谱的谱线朝红色端移动一段距离。

哈勃利用广义相对论空间尺度扩张的宇宙模型来解释,最终得出的结果是光子在通过扩张的空间时被延展,产生了宇宙学红移,简单来说就是宇宙在不断的膨胀,这个理论使得大爆炸学说有了理论基础,科学家们很多都接受了这个理论,连爱因斯坦本人都认识到了自己的错误,称当初引入宇宙常数来修正方程是一生中最不可原谅的错误。宇宙膨胀是整个宇宙空间的不断扩张,这使得星系、恒星、行星等天体之间的距离不断增大,根据广义相对论,物质和能量会使得时空弯曲,而宇宙膨胀会改变时空的弯曲程度,在宇宙膨胀的过程中,时空结构会不断变化,这可能会影响到引力作用方式以及物体在时空中的运动轨迹。如果说我们的宇宙一直膨胀下去,那么就意味着我们永远都不可能飞到宇宙的边缘。

因为宇宙膨胀的速度已经远远地超过了光速,科学家通过计算得出,如果两个星系之间的距离大于144亿光年,那么它们相互远离的速度就会超过光速,如果说我们的宇宙一直膨胀下去,暗能量的斥力会越来越强,最终可能导致宇宙中所有的物质、包括星系、恒星、行星以及原子等,都被撕裂,宇宙最终走向终结,对于人类来说,这是一个非常绝望的事实,所以别说是宇宙的边缘了,就算是可观测宇宙的边缘我们都不可能达到,因为光速只是恒定每秒30万公里,而宇宙时空的膨胀速度已经超过了这个数字,既然如此,那么是不是我们如何努力都是徒劳的?对此有一些科学家认为,在宇宙中应该存在一种能够穿越时空的隧道,这个隧道在爱因斯坦的广义相对论中也提到过。

宇宙是一个闭合的四维超球体,里面有黑洞白洞和虫洞,如果能够构建一个稳定的虫洞,它们是能够把物体在短时间内从一个星系转移到另一个星系的,因此虫洞的超光速,是唯一有可能让我们在未来达到宇宙边缘的技术,从概念上来说,虫洞就像是连接宇宙中两个不同区域的“时空隧道”。爱因斯坦的广义相对论方程允许这种结构存在。想象一张被弯曲的纸,纸上两点之间的最短距离如果从平面角度看是直线,但如果把纸折叠起来,让两点重合,通过这个重合点建立的连接通道就类似虫洞,它能让原本相距遥远的两个时空位置紧密相连,实现跨越遥远距离的快速旅行。在科学研究中,虫洞的性质非常复杂。如果虫洞存在,它可能是微观的,并且极其不稳定。想要维持虫洞的运行,需要负能量,目前科学家还没有发现这种能量。

如果说虫洞被证实,将会对宇宙航行等很多领域产生深远的影响,对于人类来说宇宙来说是一件非常重要的事情,目前科学家也在积极的研究当中,小编认为,人类作为地球上最有智慧的生命,人类的科技在不断的进步和发展,虽然现在人类还无法飞出太阳系,但是人类一直都在努力,只要人类能够坚持不懈的努力下去,人类的飞行速度一定会变得越来越快,到时候我们飞出太阳系就有希望了,小编希望人类能够早日实现自己的梦想,能够尽快飞到宇宙的边缘,对此,大家有什么想说的吗?

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评论列表
  • 2024-11-23 23:56

    相对论告诉我们,在理论上,当我们光速飞行的时候,在我们看周围的环境是静态的。也就是说,一旦我们达到了光速旅行,在我们的眼里,即使不断膨胀的宇宙也会成为一个静态宇宙,所以我们最终还是会到达宇宙的边缘,然后就会被物质宇宙推进无尽虚空。这时,我们会看到一个静态的宇宙在我们后面,而前面是无尽的虚空,无论是每秒前进一米还是前进三十万公里,我们将毫无感觉。在宇宙边缘,由于失去了参照物,我们会彻底失去时间和速度的定义,在别人看来,我们如同被吸附在时空凝胶当中,进入了静止而永生的境界。

星空承载梦想

简介:本人爱好天文,擅长写科学领域的文章