比如说我们想要去离太阳最近的一颗恒星——比邻星,距离我们4.2光年,那么来回一趟至少要8年多;再或者我们要去仙女星系,路程足足有254万光年,难道着意味着我们去一趟仙女星系就要耗费254万年之久吗?
很显然,如果仅仅是飞船能够达到光速航行,那么由于宇宙的浩瀚,我们人类能够活着探索的区域也是相当之小的,是不是关于这个寿命问题就没法解决了吗?
在没有相对论的时候,这个问题确实没法解决,而有了相对论之后,为这个问题提供了一个调和办法——那就是只保证飞船人员存活,而地球上的人则只能认命了。
比如说可以保证去仙女星系的宇航员,在达到目的地后,还能以一个年轻的年龄来执行任务,而地球上的人们却早已轮换了不知多少代了,因此地球上已经过去了254万年之久。
那么相对论到底是如何给出这个办法的呢?
首先我们先回想一下,狭义相对论的钟慢尺缩效应,简单来说就是:动钟变慢,动尺缩短。而这些结论依旧适用于我们的宇宙飞船。
不过这时候有人提出异议了,钟慢尺缩不是就是两个惯性系之间的结论吗?你说地球是惯性系,我认了,你说飞船是惯性系,那我就不承认了。
因为对于想要达到亚光速的飞船来讲,加速过程是不能忽略的,我也没法忍受那种说什么:飞船在极短时间内完成加速,随后匀速航行的说法。因为极短过程完成加速,就意味着,飞船以及内部的人员就要在极短时间内承受难以想象的超重环境,就算飞船的材质足以保证飞船主体不受破坏,那么里面的人呢?十个重力加速度就足以让人昏迷了,更不用说那成千上万倍的了,恐怕压成肉泥都绰绰有余了。
先不要激动,这里我并没有想用这样的解释搪塞过去,实际上我提到钟慢尺缩,正是未来引出下面这样的说法:钟慢尺缩的使用范围远比我们想象的要多。
对于飞船的加速过程,我们并不需要假设它只存在于一个短暂的时间内,相反,我们要将其作为飞船在整个航行中都存在的一个过程,也就是飞船在路程的前半段处于加速状态,后半段处于减速状态,这同时也解决了超重问题,飞船以及内部的人员不会因此而散架。
我们就拿仙女星系为例子,假设我们飞船的加速度正好等于一个重力加速度(这个数值是由飞船内部仪器测得,并且整个加速过程中,该数值保持不变),那么飞船内部时间与地球时间是一个怎样的关系呢?如下图
该公式中,t代表飞船时间,T代表地球时间,a为加速度,c是光速,将254万光年的路程情况代入,最后得出的结论是当飞船内部时间过去了28.7年时,飞船就抵达仙女星系了,而此刻地球上早已过去了254万年多。
或许这时候有人感到不解了,这个公式是狭义相对论的吗?我不是记得加速度这种物理量只有在广义相对论中才能被讨论吗?什么时候狭义相对论也能处理加速问题了?
实际上这正是很多人对狭义相对论的误解,虽然洛伦兹变换产生于两个惯性系之间,但对于惯性系内的加速运动,也是照样适用的,关于这一点有个更好的对照,那就是伽利略变换和牛顿力学。
我们所熟知的一点,牛顿力学只适用于惯性系,但你不要忘了,它照样可以处理惯性系下的变速问题,就好像一辆车在我面前加速,你说能不能用牛顿力学去描述它呢?答案是肯定的,既然牛顿力学可以,那么狭义相对论为啥不行呢?并且牛顿力学依托的伽利略变换,同样是产自于两个惯性系之间。
回到星际航行本身,现在我们通过狭义相对论知道了处于高速飞船中宇航员,相比于地球人来说,他们的时间过的会非常慢,因此可以认为,我们现在已经解决了飞船动力以及宇航员寿命这两个困难,接下来我们就能安心的在星际空间中自由探索了。
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