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【腦洞系列】如果亞光速飛船在飛行時碰到一粒沙子,會怎麼樣?
2021/09/09
2021/09/09
 

哇!真的第一次見哎,知識不會,衹是姿勢不對;科學凡此種種,用人話講才能聽懂

文/天空之城團隊

 

宇宙中遙遠的距離,可以說是人類進入星辰大海的最大阻礙,而想要克服這一阻礙,最直接的方法就是用極快的速度在宇宙中飛行。由于一個具有靜止質量的物體不可能被加速到光速,因此人類在未來最多也只能製造出亞光速飛船(一般來講,我們將大于90%光速但小于光速的速度稱為亞光速)。

其實亞光速飛船也不錯,假如人類能夠製造出以90%光速飛行的太空船,那麼人類只需要1年多一點的時間就可以飛出奧特星雲,用4年多的時間就可以抵達比鄰星,可以看到,這種速度已經可以讓人類在宇宙中進行恒星際的航行了。

然而在宇宙中進行亞光速飛行比想象中的更難,除了「如何加速」這個巨大的難題之外,還必須要解決星際物質與太空船的碰撞問題。為了說明這個問題,我們不妨來討論一下,亞光速飛船在飛行時,如果碰到一粒沙子會怎麼樣?

我們都知道速度是相對的,如果以亞光速飛船作為參照物的話,就可以看成這一粒沙子以亞光速撞擊了飛船。

由于速度已經很接近光速,因此我們需要將這個問題放入相對論的體系中來進行討論,下圖為相對論中計算動能的公式(其中m0、v和c分別為物體的質量、速度以及光速常量)。

假設飛船的速度為亞光速度的最低值(即90%光速),根據上述公式就可以計算出,相對于一艘以90%光速飛行的飛船,僅僅是一粒質量為1毫克的沙子,就具有大約1163億焦耳的動能(大約相當于28噸TNT當量)。

進一步計算還可以得出,當飛船速度達到99%光速時,沙子相對于飛船的動能就會增加到5472億焦耳(大約相當于131噸TNT當量),達到99.99%光速時,動能更是可以高達大約6.3萬億焦耳(大約相當于1500噸TNT當量)。

可以看到,隨著飛船的速度不斷地向光速接近,沙子相對于飛船的動能會指數級地上升,更重要的是,如此巨大的能量將會在一粒沙子那麼大的范圍內集中釋放,由此造成的破壞力可想而知。

事實上,在我們已知的范圍內,沒有任何一種巨觀材料能夠承受住這種破壞力,所以我們可以認為,如果一艘亞光速飛船在飛行時碰到一粒沙子,那麼這艘飛船就會遭到重創,而如果飛船的速度足夠接近光速,那麼飛船甚至會被直接摧毀。

要知道宇宙空間並不是嚴格意義上的「真空」,在長時間的星際航行中,太空船將不可避免地與一些星際物質發生碰撞,其中很可能就有質量與沙子差不多大,甚至比沙子還大的塵埃。

因此可以說,在沒有解決星際物質與太空船的碰撞問題之前,即使人類擁有了將太空船加速到亞光速的科技,也不可能讓太空船以亞光速在宇宙中飛行。

那人類應該如何解決這一難題呢?實際上,以人類現有的以及可展望的科技來看,這個問題都是無解的,不過既然都說到這裡了,我們不妨來大膽地猜測一下。

或許在熟練地掌握了對帶電粒子的磁約束技術之後,未來的人類可以利用強大的磁場將大量的帶電粒子束縛在亞光速飛船的周圍,並驅動它們以非常接近光速的速度圍繞著飛船運行。

正如我們前文所提到的,當一個物體的速度不斷地向光速接近時,其自身的動能就會指數級地上升,因此人類對這些圍繞飛船運行的帶電粒子進行加速,其實就是將向它們注入能量,如此一來,就相當于給飛船配備了一個強大的「能量護盾」。

這些帶電粒子層層疊疊地將飛船保護起來,如果有星際物質「來襲」,首先就會與它們發生撞擊,撞擊的結果就是,「來襲」的星際物質會瞬間被撞成「碎片」,這些「碎片」會被密集的帶電粒子阻擋在外,不會對飛船造成傷害。

接下來,撞擊釋放出的巨大能量中一部分會消散在宇宙空間,另一部分則會被帶電粒子吸收,轉化為它們的動能,在強大磁場的約束下,即使帶電粒子的動能增加了,依然會「乖乖」地圍繞著飛船運行,在必要的時候,人類還可以通過磁場對其進行減速處理。

 

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