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相對論和太空旅行,如果人類可以太空旅行,會出現什么神奇的情況

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online_member 發表于 2019-8-21 21:39:41 | 只看該作者 |只看大圖 回帖獎勵 |倒序瀏覽 |閱讀模式
早在2011年12月5日,NASA宣布,該局曾通過開普勒太空望遠鏡,在太陽系外發現了第一顆最小的、類似地球的、可適合居住的行星——開普勒-22b。
相對論和太空旅行,如果人類可以太空旅行,會出現什么神奇的情況

這一消息再次引起了人們對尋找系外類地行星和地外生命的興趣,并進而思考如果發現了地外文明,地球人怎樣與其交往的問題。實際上,此乃下一步航天深空探測的創新范疇,最重要的是只有研制成功光子火箭,才能實現兩個星球高級外星人的直接溝通。

新發現的類地宜居行星

這顆新發現的行星是通過凌日現象觀測到的。天文學上所講的凌日現象,是指一顆行星在觀測者面前經過其環繞恒星時遮住部分光線而出現黑點影像的情景。地球上的人類用肉眼即能偶爾看到金星或水星運行到地球和太陽之間時形成的凌日現象。為了確認一顆新行星,科學家們必須觀測到其出現3次凌日事件。開普勒太空望遠鏡于2009年3月發射升空(現已經退役),并最終定位于地球外側150萬千米的第二拉格郎日點,“上崗”收集數據后的第3天,科學家們就觀測到了該行星的首次凌日事件。
相對論和太空旅行,如果人類可以太空旅行,會出現什么神奇的情況

開普勒-22b行星圍繞一顆類似太陽的名為G的恒星運行,公轉周期為290天。該行星大小是地球的2.4倍,其所屬恒星距離地球600光年。它剛好位于其恒星宜居帶的正中,其表面溫度為溫和的22攝氏度,非常適宜生命存活。科學家們表示,由其所處位置推測,這顆行星表面還可能有液態水,而液態水被視為生命存在的關鍵指標。宜居區所在的區域溫度不太高,也不太低,允許液態水存在。
相對論和太空旅行,如果人類可以太空旅行,會出現什么神奇的情況

但凌日觀察無法得出其質量,因此天文學家們使用其他望遠鏡來搜尋該行星的萬有引力使其恒星顫抖的信息,但迄今為止都沒有探測到這種顫抖,這意味著該行星的質量一定不會大過地球質量的36倍。NASA開普勒計劃首席科學家比爾·博魯奇表示,這一質量范圍意味著該行星上可能有很多巖石,并可能有水。

科學家們已在另外兩顆恒星的宜居帶中發現了兩顆類地巖石行星,但其恒星都比太陽冷,且它們都不位于其恒星宜居帶的中央。專家們表示,直至目前已經確認了700多顆系外行星,但是僅有很少一部分位于宜居帶范圍之內。其中位于宜居帶的類地行星僅有上述3顆,它們可能存在著生命。美國加州地外文明搜索研究所的吉爾·塔特表示,他們將使用艾倫望遠鏡陣列來觀測新的地外行星,希望捕獲地外文明發出的信號。如果真的發現了地外文明,人類如何飛出太陽系與其主人交往?這就涉及到宇航技術和時間相對論的范疇了。

探索中的光子火箭

按照我國著名科學家錢學森的見解,人類在太陽系內的活動稱為航天,而到太陽系外的活動則稱為宇航。由于銀河系恒星之間距離遙遠,如有地外外星人被發現,人類要去探視他們,目前使用的火箭推動技術就顯得速度太慢了,必須采用光子火箭作動力、以接近光速的速度飛行才能實現。
相對論和太空旅行,如果人類可以太空旅行,會出現什么神奇的情況

光子火箭屬于非常規推進技術,是未來實現星際航行的動力裝置。它建立在正物質與反物質相遇時會立即發生質量湮滅過程并產生大量光子流的原理上而被認為可行。其發動機依靠向后噴射的定向光子流而產生向前的反作用推力,在理論上具有最高的效能和比沖。換句話說,光子火箭發動機采用光子作為工具,當光子流以每秒30萬千米的速度向后噴射時,它在反作用力的推動下,就能以接近光速或達到光速的速度向前運動。發動機所需要的大量光子可從正物質和反物質連續發生的質量湮滅過程中獲取。

科學家們設想中的以光子火箭為動力裝置的載人宇航飛船,主要由三部分組成:其最前端是座艙,裝有生命保障系統和必備的各種科學儀器,是宇航員工作和生活的場所;其中部是發動機的燃料貯箱,貯存作為推進劑的正物質和反物質,箱體結構必須密封可靠,不能有任何泄漏;其尾部是相當于發動機燃料室的大型凹面反射鏡,用來反射光子流,促其向后噴出,以產生反作用推力,推動飛船高速前行。擬用氫和反氫作為火箭發動機的推進劑,分別貯存在高度密封的容器之中。
相對論和太空旅行,如果人類可以太空旅行,會出現什么神奇的情況

火箭啟動工作時,氫和反氫通過各自的導管被導向反射鏡的焦點處,兩者在此相遇而發生質量湮滅,產生的光子流經反射鏡反射噴向火箭后方,從而使飛船獲得向前的推動力。氫和反氫發生湮滅時,兩者質量全部消失,轉化成為光能放出。由于湮滅過程釋放的能量,比同樣質量的氫發生熱核反應產生的能量還要大1000倍,故而光子流能以每秒30萬千米的速度向后噴射,使宇航飛船以接近光速的速度飛行。

目前仍處于探索階段的光子火箭技術,雖然理論上可行,但是諸如如何獲取大量反物質和怎樣貯存它們等問題尚無法解決。只有等到科學家們攻克了這些難關之后,光子火箭才能在工程層面上予以實現,并被用作開展恒星星際間載人航行的動力裝置,實現人類對地外文明直接進行訪問的愿望。

時間變慢的宇航飛行
相對論和太空旅行,如果人類可以太空旅行,會出現什么神奇的情況

光子火箭的問世將會創造出出乎人們意料的奇跡。當宇航員乘坐以光子火箭推進的載人飛船在廣袤無垠的太空航行時,由于飛船速度接近或達到光速,其飛行時間和地面上生活的人們的時間長短就不一樣了,兩者的計時值會出現巨大差異。這是愛因斯坦的相對論揭示的時間也有相對性、時間隨速度變化而改變的理論所給出的答案。這種跡象在一般速度,包括目前使用的運載火箭飛行速度中都顯示不出來,只有在接近光速運動時才能明顯地體現出來。好在速度越高時間就變得越慢,不然的話,人類探視遙遠的地外外星人的夙愿就只能停留在想象之中了。

飛船在極高速度的狀態下運行時,它上面的時間變慢情況是可以計算出來的。依照相對論給出的公式,若飛船上的鐘表測得的時間間隔為t0,地面上的鐘表測得的時間間隔為t,則它們之間的關系是t= t0/ ,式中的v為飛船運動速度,c為每秒30萬千米的光速。如將上式寫為t0= t,即可看出,飛船速度v數值越大,根號內的數值越小,t0的值也隨之變小。如v為0時,v/c=0,t0=t;v為每秒15萬千米時,v/c=0.5,t0=tx0.8658;v為每秒29.97萬千米時,v/c=0.9999,t0=tx0.0447;以此類推。在飛行距離s固定的前提下,若按直線航程計算,t=s/v可以提前計算出來,再乘以,即能預測到飛完全程的t0值。
相對論和太空旅行,如果人類可以太空旅行,會出現什么神奇的情況

相對論揭示的時間的相對性,在未來的恒星星際航行中會引發怎樣的神奇情況呢?我們可用新發現的類地行星作為設想的一個具體實例來說明。假如今后在開普勒-22b行星上發現了高級外星人,人類派出兩名宇航員乘坐以光子火箭推進的飛船去探訪,我們可以推演一下他倆的往返情況。由于目標星體距離地球600光年,約5676.48萬億千米,當飛船以0.9999999999xc的速度飛行時,由計算可知,完成全程航行只需73小時。考慮到起飛后的加速和降落時的減速過程,單程飛行也就是73.5個小時。這也就是說,兩名宇航員周一在地球上用過早點后上午8點動身的話,周四的9點半即達目的地。開普勒-22b行星上的主人迎接后交談2.5小時到12點接待他倆午餐。下午1點半到5點雙方會談和游覽考察,互相介紹情況以加深了解,然后共進晚餐。到下午6點半,他倆告別主人,乘船返回,到周日晚上8點即可回到地球。雖然兩名宇航員感到只用了7天時間,但是回到家后卻驚訝地發現,家鄉情況大變,已經沒有自己認識的人了,因為地球上已經過去了1200年。這就出現了比古代神話小說描述的“天上方一日,地上已三年”的情景還要神奇的境遇。

這種美好的前景,不僅促使人類不必為宇宙的浩瀚和本身生命的短促而嘆息,而且更增添了尋找地外文明并與之交往的勇氣。


本文選自:今日頭條
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