駕駛近光速飛船,前往254萬光年外的仙女座,只需要3個月?

太陽所處的銀河系,在宇宙中同等量級的鄰居是254萬光年外的仙女座星系,那麼人類有可能到達仙女座星系嗎?

以目前的技術水平來看是絕無可能的,因為現有的火箭和探測器的飛行速度一直徘徊在光速的萬分之一到千分之一水平, 迄今為止速度最快的探測器帕克號也不過192.2公里/秒,并且這還是借助行星引力彈弓效應才達到的速度。

人類探測器真正的巡航速度代表,是1977年發射的旅行者一號和二號,它們的固定速度是17公里/秒,勉強超過了太陽系16.7千米/秒的逃逸速度,但想要以這個速度飛出太陽系的話,需要至少3萬年才行。

一言蔽之,在目前化學動力火箭為主流,可控核聚變技術又遲遲無法取得突破的情況下,人類是絕無可能跨越254萬光年的距離到達仙女座星系的,

但假如我們擁有了一艘無限接近光速的飛船,上面有完整的生態循環系統和足夠的燃料,在宇航員的有生之年能夠看見仙女座嗎?

看到這里你也許會覺得依然不可能,因為254萬光年的距離意味著以光速飛行也得254萬年才行,就算生態循環和燃料能維持這麼長時間, 宇航員本身也不可能活254萬年,但事實并非如此。

因為根據狹義相對論中的時間膨脹效應,處于近光速飛行狀態下的宇航員自身的時間是會變慢的,在地球上的我們看來的254萬年的漫漫航程,在飛船內的宇航員的感覺里,其實只過了24年甚至更短。

根據愛因斯坦狹義相對論

當我們在測量一個在運動的棍子長度時,必須要同時測量棍子兩端的坐標,坐標的差值才是棍子的長度,但它的長度在不同的慣性系中也不一樣, 也就是說長度取決于它相對于參考系的速度,在相對運動的方向上,棍子的長度會按照洛倫茲變換公式的比例縮短。

時間也是同樣的道理,一個相對于參考系勻速運動的鐘,比另一個靜止的鐘走得要慢一些,變慢的比例同樣由洛倫茲變換公式確定,假如棍子運動的速度如果接近了光速,那麼它的長度會無限趨近于0,時鐘以接近光速運動時,也會變得像靜止了一樣。

以上這兩個例子便是狹義相對論中的 尺縮效應與鐘慢效應,以這兩個效應為依靠,駕駛無限接近光速的飛船前往254萬光年外的仙女座星系就變得可行了。

因為根據時間膨脹效應的公式計算,當飛船達到光速的99%時,時間膨脹將達到7倍,如果達到了光速99.99999%,那麼時間將膨脹707萬倍,也就是說飛船上過去一年,地球上就會過去707萬年。

在如此恐怖的時間膨脹效應下,不考慮加速和減速過程中消耗的時間,飛船內的宇航員其實只需要花3個月就能抵達254萬光年外的仙女座星系。

而如果考慮到出發時的加速和到達時的減速,飛船的航行時間就要加24年,因為飛船不可能瞬間達到光速,更不可能瞬間從光速脫離,因此飛船以光速的77%駛離地球,并保持著1G的加速度的話, 需要12年時間才能加速到光速的99.99999%,以這個速度飛行3個月后再用12年時間減速。

雖然宇航員感覺只過去了24年零3個月,但對于地球上的人來說其實已經過去了254萬年,這便是愛因斯坦狹義相對論的奇妙之處。

在理想狀態下

假如我們真的達到了光速,此時飛船內的時間就會處于靜止狀態,飛船內的1秒可能就是地球的100年甚至100萬年,此刻時間對于你來說并沒有流逝, 你的瞬間就度過了地球100年或者100萬年,相當于變相穿越到了未來。

在可以預見的未來,遠距離的星際探索帶來的時間膨脹效應必將困擾人類科學家,因為如果宇航員以接近光速探索宇宙,回到的卻是幾百萬年后的地球的話,這樣的探索對人類文明來說又有什麼意義呢?

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