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人類能突破光速嗎?目前已知最先進的探測器,達到每千米192秒!
2023/05/04

許久以來,人們都對頭頂浪漫的星空充滿了向往。無論身在何方,人總是處在同一片星空之下,在一個個安靜的夜晚,當人類抬頭凝視黑夜,總能看到點點繁星閃爍。

從前,我們只能在地上凝望星星和月亮,在腦海中構筑一幅美麗的畫卷。直到現在,隨著科學技術的發展,我們終于脫離了引力的束縛,找到了探索星空的途徑。

也正是這個時候,我們才發現,夜晚的繁星與我們的距離遠比我們想的還要遙遠,地球上通用的米、厘米、千米這樣的計量單位已經很難用來形容人與星河之間的距離,為了便于計量,科學家開始用光的速度來作為標準,來計算從地球到其他星球之間的距離,將光在真空中傳播一年所能前進的距離稱為1光年,大概有9.46萬億千米。以人類目前現有的技術水平來說,這絕對是一個相當遠的距離了。

從陸地到星河

在科技還并不發達的時候,人類就已經對天上的世界產生了奇妙的幻想。無論是后羿射日,嫦娥奔月,還是在牛郎織女的故事里,王母娘娘拔下簪子畫出銀河,亦或是古希臘哲學家對宇宙的本源的思考和探索,無不體現者古代人類對天空的好奇。

盡管由于技術的局限,他們沒辦法去探明太陽,月亮和星星,但是他們用一種奇妙的想象彌補了這份空白。

從地心說到日心說,從狹義相對論到廣義相對論,再到之后的宇宙大爆炸理論,人類對于宇宙的探索和認知是一個推翻又重建,逐漸完善的過程。

直到上個世紀50年代,由蘇聯制造的第一顆人造衛星進入太空,人類才慢慢開始能夠對宇宙進行比較直觀的探索研究。

發展到現在,人類對宇宙的探索也不過才持續了70多年的時間。

相較于宇宙龐大的體量來說,70余年的時間實在是很難讓人類有一個全面的了解。但是在這幾十年的時間里,人類也掌握了不少宇宙的秘密。

要離開地球,就要擺脫地心引力的束縛。當物體的秒速度超過7.9千米時,該物體此時會受到向心力的影響,繞著地球運動。

而這一速度也并非絕對,在赤道附近,這個速度要求可以降低到每秒鐘7.4千米,同時,這一速度指的是物體貼地表的飛行速度,而一般飛行器會上升到距離地表大約150千米的高空,這里受到的地心引力的作用也會小一些,此時的速度要求是每秒鐘7.8千米。

如果要離開地球軌道,就要徹底擺脫地球引力的作用,此時物體的運行速度就需要達到每秒鐘11.2千米,而要脫離太陽系,則需要擺脫太陽的引力,太陽的引力約為地球的33萬倍,此時,物體需要更大的速度來擺脫引力作用,必須達到每秒鐘16.7千米以上。

當然,太陽系之外還有銀河系,星系團,超星系團等等,要擺脫這些系統的引力作用,物體需要更大的速度才能脫離出這些系統。只不過由于人類科學技術的局限,無法探測到更遙遠的距離,因此這些數據目前還沒有辦法被計算出來。

宇宙并不是完全靜止的,而是時刻處在運動之中。因此人類探測宇宙距離的主要方式就是紅移。從生活經驗中出發,車輛向我們行駛和車輛向我們遠離的時候,人類所能接受到的聲波是不同的,因此可以通過聲音分辨出汽車是來還是去。

紅移有點類似這個原理,只不過接收對象從聲波換成了光波,通過波長的變化,并結合其他數據來判斷距離的變化。通過觀察人類所能探測到的最邊緣星體的光波變化,我們大致可以推算出這一部分宇宙的直徑。

現在流傳比較廣的理論之一就是宇宙大爆炸學說,大概是說,幾百億年以前的宇宙和今天的宇宙大不相同,那個時候各星球之間的距離相對于今天來說還是比較近的。

後來,由于一場宇宙爆炸,各星球之間互相遠離,而這些星球的遠離速度隨品質不同也有所不同,但基本每秒鐘都可遠離千米以上。

直到現在,宇宙膨脹這一過程依舊還在進行著。倒推回去,在千百年以前,各個星體之間的距離會比我們今天所看到的星體距離要近許多,那麼我們的祖先抬頭所能看到的星空,或許會比我們今天所能看到的更為明亮皎潔,更加震撼人心。

從陸地到星河,人類將瑰麗的想象變為實際,花費了千百年的時間。當人類終于進入到那片燦爛的星河中時,他們才發現那些夜晚閃爍著微弱光芒的星星居然如此巨大,而人類與星河的距離又是那麼遙遠。

當人類接觸到這個全新的領域時,才發現這一領域遠比人類想象的更為雄偉壯麗,在這份亙古的浪漫之下,還隱藏著許多秘密等待人類的進一步探索。

光年之外的宇宙

在科學家眼中,光速不只是一個代表光的傳播速度的數字,更是目前速度的極限值。這意味著,至少以我們目前所具有的科學技術水平來說,超越光速是不可能的事情。

從我們的生活經驗出發,物體運行的速度越快,其造成的破壞就越大,被行駛中的汽車撞一下和被行駛中的腳踏車撞一下后果是截然不同的。

而原因也不難理解。汽車本身品質大,而且由于其要保持較高的運行速度,必然需要更大的動力,因此會有更強大的動力勢能和慣性。這些所有的勢能加起來就是最終汽車的總品質。所以,物體運行的速度越快,那麼自身的品質也就越高。即便是最為微小的電子,要達到光速所需要的動力也需要1045億電子伏特以上,這是以目前技術來說人類無法提供的能量。

在現在最為先進的對撞機中,粒子的速度已經非常接近光速了,最快的速度甚至只比光的秒速慢了3.6毫米。看起來很小,放在光速里似乎可以忽略,但就這麼一個微小的差距,卻是人類始終無法突破的極限。

2011年關于中微子速度超過光速60納秒的報道,最終經過半年排查也最終確認是因為電纜松動導致的實驗結果誤差。

而即便人類突破了技術局限,超過光速的粒子也會和光子作用,產生中性π介子消耗粒子的能量,直到粒子的運動速度降低到光速以下。

因此,目前來說,在現實世界中,光速是物體的極限速度,大約為每秒鐘30萬千米。

同時,又因為宇宙體量太過龐大,各個星體之間的距離也相距甚遠,以普通計量方式計算距離未免有些繁瑣,于是科學家最終選定了人類世界的極限速度作為天文學中的計量單位。以光在真空中一年所能傳播的距離為標準,將之稱為光年,1光年大約是9.46萬億千米。

目前人類所能觀測到的宇宙直徑范圍大約是930億光年。而銀河的直徑大概在10萬到18萬光年之間,其中包含幾千億個恒星,共同構成了一個龐大的恒星體系。而在人類目前所知銀河系內,根據推測,至少會存在2,000億個像太陽這樣的恒星系。而太陽系距離銀河中心,大約有2.6萬光年。這樣的數字對于人類來說實在是難以想象的。

隨著科學技術的進步,人類可以觀測到的銀河系的范圍只會越來越大,即便如此,人類傾盡全力所能窺測到的范圍也只不過是冰山一角罷了。

根據科學家的估算,太陽系的半徑大約為1~2個光年。也就是說,如果我們想要探索太陽系之外的世界,那麼至少要跨越過一光年的距離。依照我們目前的科技發展水平,去探索太陽系之外的世界是一件成本極高的事情。

如果不考慮其他,單就時間來看,如果一輛汽車每小時能行駛100千米,那麼這輛汽車需要以這樣的速度晝夜不停地行駛1080萬年才有可能駛出太陽系。

這樣的速度還是太慢了,目前世界上最先進的探測器是由美國發射的帕克太陽探測器,最快速度可以達到每秒鐘192千米,而帕克太陽探測器平時的前進速度大約在每秒鐘109千米,預計在2025年可以到達離太陽大約620萬公里的地方進行資料收集和數據分析。

帕克太陽探測器是目前人類造出的速度最快的飛行器,按照它的速度來講,晝夜不停勻速飛行,飛出太陽系的時間也需要2748年。

但是考慮到實際情況,設備無法提供源源不絕的動力,同時也要考慮到相關部件的磨損情況,走出太陽系到目前為止也還只是一個空想而已。也許隨著人類科學技術的進步,在不久的將來,人類能夠研制出速度更快的飛行器,來去往宇宙的更深處進行探索。

但是,這無疑是一個長久的工程,或許人類還需要千百年的努力,才能接近太陽系的邊緣。子子孫孫無窮盡也,也正是因為這些一脈相承的努力與堅持,人類才有機會去觸碰更多的真理。

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