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除了光速外,宇宙還存在一個速度限制,這或許才是人類真正的障礙
2023/09/21

在人類歷史的長河中,星際航行一直是一項讓人神往的科學夢想。 隨著科技的不斷發展和人類對未知的無盡探索欲望,我們正邁向一個全新的時代——星際時代。

星際航行的目的是將人類的足跡延伸到宇宙的更遠處。這不僅僅是一項技術挑戰,更是一次對人類智慧和勇氣的巨大考驗。我們將探索未知的星系,登陸遙遠行星上的地面,甚至與其他文明接觸。這種前景讓人無比振奮,喚起我們內心深處的探索欲望。

然而,星際航行并非一蹴而就,需要克服許多科學難題和技術挑戰。其中最大的挑戰之一就是克服宇宙的巨大距離。 我們所處的太陽系只是宇宙的一個小小角落,距離太陽最近的恒星比鄰星也有4.22光年的距離。然而人類目前最快的飛行器——帕克太陽探測器,速度也不過586 800千米/時,而光速約為300 000千米/秒,兩者之間是幾千倍的差距。 而最可怕的是,愛因斯坦早就告訴我們,超越光速是不可能的,甚至連接近光速都很困難。到底是什麼在限制人類的速度?

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飛離太陽系?

2013年和2018年,媒體先后報道旅行者1號和旅行者2號飛離了太陽系,然而這件事很快被NASA和一眾科學家否定。因為嚴格意義上來說,它們都沒有離開太陽系。

經過40多年的飛行,旅行者1號如今距離地球約240 億公里,而旅行者2號距離地球則是199億公里左右。這個數字看起來很大,然而事實上它們連1光年的距離都沒飛到。 1 光年約等于94607億公里,而太陽系的半徑估測為2光年左右,這意味著旅行者若想離開太陽系,至少還需要3到4萬年時間。

從這里可以看出,在宇宙中,公里(千米)這個單位實際上已經失去了意義。唯有光年才能更簡潔地表現出星際中的距離,而為什麼要采用光年做單位呢?這就要說到光速的限制了。

速度存在極限

真空中的光速是自然界中的最大速度,這是愛因斯坦的相對論所決定的。 根據相對論,光速在真空中是一個絕對常數,無論觀察者是靜止的還是以任何速度運動。

當一輛汽車在以高速行駛,如果我們站在路邊觀察,看到的是汽車以某個速度快速通過我們。但是,如果我們坐在汽車上以與汽車相同的速度行駛,那麼對于我們來說,汽車將看起來是靜止的。這是因為我們與汽車相對靜止,所以我們的觀察結果是不同的。 相對論告訴我們,當物體接近光速時,時間會慢下來,長度會收縮,質量會增加。隨著物體的加速,這些效應會變得越來越顯著。而當物體以光速運動時,時間似乎停止,長度完全收縮,質量變得無窮大。

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這就是為什麼光速被視為最大速度的原因。 如果一個物體以光速運動,它的質量將變得無窮大,所需的能量將變得無限,而時間似乎停滯不前。這是不可行的,違反了物理學的基本原理。

此外,突破光速將導致因果關系的混亂。想象一下,如果我們能夠以超光速的速度移動,我們將能夠回到過去或者超越未來,這將違背因果關系的穩定性。 光速限制的存在,使得星際飛行也存在限制,然而有科學家發現宇宙中還存在一個光速以外的速度限制。

GZK極限

GZK極限是指由Greisen、Zatsepin和Kuzmin三位科學家提出的一個理論上限,用于描述從遙遠宇宙中來的宇宙射線所應具備的最大能量限制。

GZK極限的原理涉及到宇宙中存在的一種稱為宇宙微波背景輻射的輻射場。

宇宙微波背景輻射是宇宙大爆炸的余輝,在宇宙中無處不在,由宇宙早期的熱輻射演化而來。這個輻射場的存在對于高能宇宙射線的傳播產生了影響。

當高能宇宙射線與宇宙微波背景輻射發生碰撞時,會發生一種被稱為GZK效應的現象 。GZK效應涉及到高能宇宙射線與宇宙微波背景輻射相互作用,產生了次級粒子,如介子和光子。這些次級粒子會與宇宙微波背景輻射中的光子再次相互作用,導致高能宇宙射線的能量逐漸減少。

根據GZK極限的理論,當高能宇宙射線的能量超過某個特定的閾值時,它們與宇宙微波背景輻射的相互作用會變得非常頻繁,導致它們的能量迅速衰減。這個閾值被稱為GZK極限能量。根據目前的理論估計,GZK極限能量約為5 x 10^19電子伏特(eV)。

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這意味著無論宇宙中有多強大的能量源,它們所釋放的宇宙射線的能量都不可能超過GZK極限能量。 因為超過這個極限后,宇宙射線與宇宙微波背景輻射的相互作用會導致它們的能量迅速減小,使得它們無法保持足夠的能量在宇宙中傳播到地球。

同樣的宇宙飛船也存在這麼一個速度極限,一旦超過特定閾值它就會與光子相互作用,嚴重時甚至會導致飛船解體!除了速度外,宇宙本身對于人類來說也存在限制。

無窮無盡的宇宙

宇宙在大約138億年前誕生,然而我們的可觀測宇宙半徑卻為465億光年。有人要問了,這豈不說我們可以看到宇宙誕生前的光景?事實上是不可能的。

根據目前的宇宙學理論,我們相信宇宙的膨脹是以光速以下的速度進行的,但并不是固定的速度,而是隨著時間的推移而改變。

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當我們看向遠處的天體時,我們實際上是在觀察它們發出的光在宇宙中傳播到達我們的地球。由于宇宙的膨脹,這些光線在傳播過程中也會受到宇宙膨脹的影響,從而導致它們的波長延長,即光的紅移現象。

由于宇宙的膨脹速度不是恒定的,不同距離處的天體受到的膨脹影響程度也不同。 在過去的138億年中,宇宙的膨脹使得遠離我們更遠處的天體比靠近我們較近處的天體更受影響,導致它們的光線的紅移更為顯著。

現在回到可觀測宇宙半徑為465億光年的問題。這個數值是根據我們觀測到的宇宙中最遠處的天體的紅移來估計的。 由于宇宙的膨脹,這些天體的光線在傳播到地球時經歷了大量的紅移,使它們的波長變長,從而使它們的光變為微波背景輻射(CMB)。這些微波背景輻射的波長現在被觀測到約為微波段,對應著遠離我們約465億光年的距離。

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我們無法直接觀測到宇宙誕生前的景象。因為在宇宙誕生時,宇宙處于非常高密度和高溫的狀態,光無法在其中傳播,所以我們無法看到宇宙誕生的瞬間。 我們觀測到的微波背景輻射是宇宙誕生后約38萬年的一個時刻,當時宇宙已經冷卻到允許光線傳播的程度。

根據宇宙膨脹的理論。遠離我們的天體將會距離我們越來越遠,465億光年外的天體將永遠無法被人類觀測,我們可能永遠不知道那外面的宇宙究竟是什麼樣的。

結語

光速是宇宙中傳播的最大速度,超過光速的傳播將受到GZK效應的限制,能量將迅速減小,無法保持足夠的能量傳播到目標地點。 同時,宇宙的膨脹使得遠離我們的天體不斷遠離,將來會有更多的天體進入我們無法觀測到的范圍。

這些限制對于人類的認知和探索宇宙的能力產生了一定的影響。盡管我們無法直接觀測宇宙誕生前的景象,無法突破光速限制,也無法觀測到更遠處的天體,但科學家們利用間接觀測和推斷的方法,仍然能夠不斷深化對宇宙的理解。

隨著科技的不斷進步,我們對宇宙的研究將繼續深入,或許未來某一天,我們會掌握蟲洞或者曲速引擎等黑科技,那時光速不再是限制,探索更大范圍的宇宙也未嘗沒有可能。

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